Evaluación del desempeño operacional y ambiental de la digestión anaerobia de lodos provenientes del tratamiento de aguas servidas incluyendo pre-tratamiento mediante untrasonido e hidrolisis térmica

Abstract

El tratamiento de aguas servidas representa un pilar fundamental para la protección de la salud pública y la conservación de la integridad de los ecosistemas acuáticos. Sin embargo, las tecnologías de tratamiento utilizadas actualmente representan una fuente creciente de lodos sanitarios, que en caso de los lodos activados puede llegar a 7 – 8 kg/hab-año. Debido a su origen y características físicoquímicas y microbiológicas, la gestión de lodos implica un importante problema económico y ambiental, llegando a representar hasta el 50% de los costos operacionales en las plantas de tratamiento de aguas servidas (PTAS) y con potenciales impactos sobre suelos, cuerpos de agua y la salud de la población. La digestión anaerobia es una tecnología de estabilización biológica que permite la recuperación de energía a partir del lodo a través de la transformación de la materia orgánica en CH4 y CO2 (biogás). Sin embargo, las tasas de hidrólisis durante la digestión limitan el proceso y su aplicabilidad en PTAS de menor tamaño (<50,000 personas equivalentes), debido a lo cual sólo 6 instalaciones existen actualmente en Chile. En este escenario, distintas estrategias de pre-tratamiento han sido propuestas para hidrolizar el lodo en un paso previo a la digestión anaerobia, lo que permite intensificar el proceso e incrementar la producción de biogás. En particular, el uso de procesos que integran diferentes mecanismos de hidrólisis ha sido reportado como una alternativa de interés, debido principalmente a los efectos sinérgicos observados sobre la solubilización del lodo y el rendimiento de metano durante la digestión. En esta tesis, se evaluó el efecto de un pre-tratamiento secuencial mediante ultrasonido e hidrólisis térmica (55°C) sobre las características del lodo sanitario y el desempeño operacional y ambiental de su digestión anaerobia. El objetivo de dicho proceso es la solubilización del lodo mediante fenómenos físicos y biológicos, lo que se espera resulte en una mejora en la conversión de materia orgánica y la producción de biogás durante la digestión anaerobia. Además, para evaluar si la incorporación del pre-tratamiento resulta en compromisos entre los impactos ambientales asociados a las distintas etapas de la gestión del lodo, se realizó una evaluación del desempeño ambiental del proceso mediante un enfoque basado en Análisis de Ciclo de Vida (ACV). Se realizaron ensayos batch de pre-tratamiento bajo distintas condiciones operacionales, incluyendo la aplicación de ultrasonido con energías específicas (EE) de 500 – 30500 kJ/kgST y 3 – 13 horas (T) de tratamiento térmico a 55°C. La solubilización de materia orgánica causada por el pre-tratamiento fue evaluada en términos de proteínas, carbohidratos y la demanda química de oxígeno (DQO). Además, se determinó la influencia del proceso sobre la presencia de ácidos grasos volátiles (AGV) y la actividad endógena de proteasas y amilasas en el lodo. El desempeño de la digestión anaerobia después del pre-tratamiento fue evaluada mediante ensayos batch de cinética y biodegradabilidad anaerobia, así como durante la operación de digestores semi-continuos (6 L volumen de reacción) bajo 3 condiciones operacionales, correspondientes a tiempos de retención de sólidos (TRS) de 30, 15 y 7.5 días. El periodo experimental de los sistemas semi-continuos fue de un total de 303 días, incluyendo una fase de aclimatación de la biomasa de 96 días. Durante este periodo, se monitorearon parámetros de estabilidad del proceso (pH, alcalinidad, concentración de AGV, potencial de óxido-reduccion, concentración de NH4+-N), además del rendimiento de metano (mLCH4/gSV), la eliminación de DQO total, sólidos totales (ST) y sólidos volátiles (SV) y la conversión de materia orgánica asociada a las fases de hidrólisis, acidogénesis y metanogénesis. Además, se establecieron balances de DQO para todas las condiciones experimentales. La influencia del pre-tratamiento sobre las características del digestado fue evaluada en términos de la deshidratabilidad (a través ensayos de centrifugabilidad), la concentración de N, P, As, Cu, Hg, Ni, Pb, Se y Zn en el sólido y sobrenadante del digestado, y la presencia y eliminación logarítmica (logrem) de coliformes totales, coliformes fecales y colifagos somáticos. El ACV del proceso fue realizado en base a los resultados obtenidos durante la operación de los digestores y datos operacionales de la PTAS Biobío de Concepción (36° 48’ S, 73° 08’ O) durante el año 2015. La unidad funcional (UF) seleccionada para el estudio fue el tratamiento de 1 ton de lodo (base seca), y se incluyó la evaluación de 6 categorías de impactos ambientales potenciales: cambio climático (kgCO2eq), agotamiento de recursos abióticos (kgSbeq), acidificación (molcH+eq) y eutrofización en suelos (molNeq), ecosistemas marinos (kgNeq) y ecosistemas dulceacuícolas (kgPeq). Se supuso que después de la estabilización anaerobia el digestado es utilizado como reemplazo de fertilizantes comerciales en cultivos de trigo, y los resultados fueron comparados con escenarios de referencia basados en alcalinización y disposición del lodo en rellenos sanitarios. (mLCH4/gSV), la eliminación de DQO total, sólidos totales (ST) y sólidos volátiles (SV) y la conversión de materia orgánica asociada a las fases de hidrólisis, acidogénesis y metanogénesis. Además, se establecieron balances de DQO para todas las condiciones experimentales. La influencia del pre-tratamiento sobre las características del digestado fue evaluada en términos de la deshidratabilidad (a través ensayos de centrifugabilidad), la concentración de N, P, As, Cu, Hg, Ni, Pb, Se y Zn en el sólido y sobrenadante del digestado, y la presencia y eliminación logarítmica (logrem) de coliformes totales, coliformes fecales y colifagos somáticos. El ACV del proceso fue realizado en base a los resultados obtenidos durante la operación de los digestores y datos operacionales de la PTAS Biobío de Concepción (36° 48’ S, 73° 08’ O) durante el año 2015. La unidad funcional (UF) seleccionada para el estudio fue el tratamiento de 1 ton de lodo (base seca), y se incluyó la evaluación de 6 categorías de impactos ambientales potenciales: cambio climático (kgCO2eq), agotamiento de recursos abióticos (kgSbeq), acidificación (molcH+eq) y eutrofización en suelos (molNeq), ecosistemas marinos (kgNeq) y ecosistemas dulceacuícolas (kgPeq). Se supuso que después de la estabilización anaerobia el digestado es utilizado como reemplazo de fertilizantes comerciales en cultivos de trigo, y los resultados fueron comparados con escenarios de referencia basados en alcalinización y disposición del lodo en rellenos sanitarios. El pre-tratamiento secuencial resultó en una solubilización significativa de la materia orgánica, con incrementos en la concentración soluble de proteínas (252 – 674%), carbohidratos (458 – 1030%) y DQO (ƒ = 3.5 – 17.1%), además de 1.6 – 3.8 mayor actividad de amilasa y 1.8 – 4.3 mayor actividad de proteasa en la fase soluble. La solubilización de DQO se vio influenciada tanto por la concentración del lodo como por las condiciones operacionales evaluadas (EE y T). El pre-tratamiento secuencial resultó en incrementos en la cinética de la digestión anaerobia y la biodegradabilidad del lodo, con incrementos de 30 – 80% en la tasa máxima de producción de metano (mLCH4/gSV-d) y 16 – 50% en el rendimiento específico de metano (mLCH4/gVS). Durante la evaluación semi-continua, se observaron incrementos de 19 – 29% en el rendimiento específico de metano debido a la incorporación del pre-tratamiento, sin afectar la estabilidad del proceso y manteniendo concentraciones de NH4+-N y NH3-N bajo los rangos de inhibición en todas las condiciones experimentales (≤1.8 gNH4+-N/L y ≤53 mgNH3-N/L). El mayor incremento en la producción de metano fue observado a un TRS de 7.5 días (3.6 gSV/L-d), asociado con la mayor cinética de degradación. Los balances de materia orgánica mostraron que el incremento en la producción de metano resulta proporcional a la solubilización de DQO durante el pre-tratamiento, lo que sugiere que este es el principal mecanismo involucrado en los efectos observados sobre el desempeño operacional de la digestión anaerobia. Tanto el pre-tratamiento como el TRS influenciaron la recuperación de agua durante la centrifugación del digestado, con valores 4.2% y 13.3 – 20.5% menores debido a la incorporación del pre-tratamiento y la reducción del TRS desde 30 a 15 días, respectivamente. El sistema pre-tratamiento/digestión anaerobia permitió obtener logrem de 2.8 para coliformes (totales y fecales) y 1.5 para colifagos somáticos, y se observaron incrementos de hasta un 58% en la concentración de As, Cu, Hg y Zn en la fracción sólida del digestado. El desempeño ambiental de la digestión anaerobia incorporando el pre-tratamiento secuencial fue similar al de la digestión convencional. Las principales diferencias se asociaron con una disminución en el potencial de cambio climático y un aumento en el potencial de agotamiento de recursos abióticos, relacionados con la recuperación de energía a partir del lodo y los requerimientos de transporte del digestado. Ambos escenarios resultaron en menores impactos en todas las categorías estudiadas comparada con los escenarios de referencia. Los resultados obtenidos resultan dependientes de la presencia de carbono fósil en las emisiones de CO2 y la valorización de la energía térmica generada durante la co-generación del biogás, y se observó que parámetros tales como el TRS y la tasa de aplicación del lodo al suelo pueden tener una mayor influencia sobre el desempeño ambiental de la gestión del lodo que la incorporación del pre-tratamiento.