Tereo: Mejoramiento de un biodigestor a escala piloto para la digestión de efluentes orgánicos complejos

Por: Antoine Albert D Mathelot, Co-fundador y Gerente Técnico – Tereo SAC.; y Luis Santisteban Portal, Consultor I+D+i – Tereo SAC. info@tereosolutions.com

RESUMEN

Los efluentes agroindustriales generan gastos directos e indirectos por su disposición y las consecuencias ambientales que son fiscalizadas. Este problema puede ser solucionado con la digestión anaerobia (DA) ya que resulta ser una alternativa rentable económica y ambientalmente. Sin embargo, algunos residuos como el mango y la palta resultan ser ácidos, con elevada carga de grasas y aceites, convirtiéndolos en residuos complejos.

La implementación de un sistema de agitación y pre-tratamiento del efluente reducen los problemas de acidez propia del efluente y aquella generada por la etapa de acidogénesis de la DA. Esta tecnología logra neutralizar el pH del mango y palta (4.52 y 5.92, respectivamente) hasta un pH de 7.19 gracias a la capacidad buffer de los lodos del biodigestor y su efecto potenciado por la agitación. Esta estabilidad se ve reflejada en los subproductos ya que se obtiene biogás de hasta 68% de metano. Todo esto es posible por cooperación entre entidades a través del CONVENIO N°065-FIDECOM-INNOVATEPERU-PIMEN-2018.

INTRODUCCIÓN

Las exportaciones de frutas en el Perú crecen cada vez más, en el 2020 las exportaciones de frutas reportaron US$ 1,414 millones en los primeros cinco meses del año, un 11.6% más que el mismo periodo del 2019¹. La Asociación Peruana de Productores y Exportadores de Mango (APEM) declaró que la campaña 2019 – 2020 cerró con ventas al extranjero por 233,000 tn de fruta fresca repartidas principalmente entre Europa y Estados Unidos, y 42,000 tn de mango congelado². Por otro lado, las exportaciones de palta Hass iniciaron el 2020 con ventas por un valor de US$ 3 millones 623 mil. Según la Asociación de Exportadores (ADEX), esto significa un crecimiento del 70.3% respecto a enero del 2019 y se abre paso hacia el segundo exportador mundial este año³.

Estas cantidades de producción acarrean grandes volúmenes de efluentes residuales que deben tratarse de manera responsable. Para ello, se han desarrollado y actualizado Estándares de Calidad Ambiental (ECA) para Agua por el MINAM⁴ y que son fiscalizados por la OEFA⁵. Una solución de tratamiento para estos efluentes es implementar un sistema de digestión anaerobia (DA) que es capaz de aprovechar la materia orgánica y transformarla en sub-productos como biogás y un efluente tratado. El biogás tiene un poder calorífico de 4,700 a 5,500 kcal/m3 o 6.27 kWh/m3 ⁶, esto le convierte en un combustible llamativo que puede cubrir parte de la energía consumida por la agroindustria siendo sostenible en el tiempo⁷.  Según el MINEM, el sector agropecuario consume energía alrededor de 6,388 TJ, el cual es generado por fuentes como: electricidad (67.6%), diésel B5 (27.6%), gas licuado (1.7%), leña (1.3%), gas distribuido (1.0%), gasolina (0.6%), carbón mineral (0.1%), energía solar (0.1%) y carbón vegetal (0.002%)⁸.

Sin embargo, algunos residuos orgánicos provenientes de productos agrícolas como mango y palta tienen características ácidas y altas concentraciones de grasas y aceites que dificultan la DA. Estas características bioquímicas pueden tener un impacto negativo sobre la estabilidad biológica del reactor, pero que pueden ser controlados con un buen nivel de alcalinidad bicarbonática e incrementar su efecto buffer con sistemas de agitación y pre-tratamiento del sustrato⁹.

Por esto, los principales desafíos en este proyecto llevado a cabo mediante el programa INNOVATE PERÚ, a través del CONVENIO N°065-FIDECOM-INNOVATEPERU-PIMEN-2018, se centran en mantener una buena agitación, un pre-tratamiento óptimo de los sustratos y un diseño de operaciones que indique el progreso de alimentación adecuado. Todo esto en condiciones de temperatura y presión no controladas por ser un proyecto piloto en condiciones de campo.

METODOLOGÍA

Para la instalación y el desarrollo del proyecto piloto, se identificó una de las mayores empresas agroindustriales en la costa norte del Perú exportadora de frutas y verduras, entre las que figuran el mango y la palta. Tiene un alto consumo energético, costos significativos de disposición de residuos y espacio disponible, lo que la convierte en la empresa idónea para el proyecto. En la primera parte de las operaciones, el piloto fue alimentado con efluente de mango y luego con efluente de palta, debido a la estacionalidad de producción.

Muestreo de efluente crudo

Las muestras de efluente crudo se tomaron de las canaletas de desemboque hacia su PTAR. Se tomaron muestras de igual volumen cada dos horas durante dos días seguidos por tal de obtener la mayor representatividad posible y se mantuvo a una temperatura de 4ºC aproximadamente en cajas térmicas durante el periodo de muestreo y transporte hacia los laboratorios. Este protocolo fue llevado a cabo para ambos efluentes residuales empleados en el proyecto.

Caracterización

Los parámetros medidos en los análisis físico-químicos de los efluentes crudos fueron: sólidos totales (ST), sólidos volátiles (SV), pH, DQO, N, P, K, Na, Mg, Ca, C, Fe y S. Estos análisis permitirán calcular el progreso en la alimentación del piloto según sustrato, previene riesgo de inhibición y facilita inferir la calidad del efluente tratado producido. Además, se realizaron estudios de potencial de biometano (PBM) de ambos sustratos en condiciones controladas en laboratorio.

Diseño e instalación de piloto

Se empleó un biodigestor de tipo tubular hecho de HDPE con un volumen útil de 5.3 m3. Dicho digestor se modificó en la parte media de un lateral incorporándole dos tuberías de 2 pulgadas del mismo material que el digestor, y una tubería de 4 pulgadas al nivel de la base del lado de salida de efluente tratado. Las tuberías de los laterales irían conectadas a una red de tuberías PVC de 2 pulgadas conectadas a una bomba sumergible  que impulsa el efluente tratado desde el tanque de recepción para lograr recircularlo hasta el biodigestor y agitar el interior.

Esta red de tuberías también conduce parte del efluente tratado hacia el tanque de pre-tratamiento donde se mezcla con la carga de alimentación diaria. El encendido de la bomba sumergible está controlado por un temporizador que la activa cada hora durante 3 minutos, todos los días. El caudal del efluente tratado es regulado por una válvula tipo diafragma y monitoreado por un flujómetro. Antes de la entrada del efluente tratado al piloto y al tanque de pre-tratamiento, el caudal nuevamente es regulado por válvulas PVC tipo bola de 2 pulgadas.

El biogás es conducido hacia los quemadores a través de una tubería PVC de 1 pulgada que pasa por un flujómetro, una válvula de alivio y trampa de agua, y un filtro para purificación de biogás a base de pellets de hierro oxidado que reduce los niveles de H2S.

Inoculación

El piloto fue inoculado con bovinaza y se maduró por un tiempo determinado para obtener una capacidad bicarbonática y estabilidad que harán frente a las características físico-químicas de los sustratos después del pre-tratamiento.

Puesta en marcha

En la primera mitad del proyecto, el piloto fue alimentado con efluente residual del procesamiento de mango y, en la segunda, con efluente residual del procesamiento de palta.

Para cada tipo de efluente se diseñó una planilla de alimentación en la que indica el progreso de alimentación marcado por la concentración de SV, el tiempo de retención hidráulica (TRH) y la estabilidad de la DA. Dicha estabilidad era monitoreada con análisis de los parámetros: ST, SV, AGV, alcalinidad, AI/AP y pH.

Monitoreo de sub-productos

El biogás fue monitoreado cada día para conocer la concentración de CH4 aplicando un método volumétrico por desplazamiento de CO2 con una solución alcalina, y la concentración de H2S empleando tubos colorimétricos.

RESULTADOS

La metodología describe un biodigestor piloto para el procesamiento de efluentes residuales agroindustriales de mango y palta. Las siguientes tablas mostrarán los resultados de la caracterización física y química del biogás y efluente tratado. Estos resultados permitirán conocer la estabilidad del proceso de DA y la calidad de los sub-productos:

Las grasas y aceites de la palta son una fuente rica en carbono que puede ser transformada a metano. Tal como indica la Tabla 2, el biogás generado por este tipo de efluente contiene un 68% de metano, muy cerca del rango superior de concentración de CH4 en biogás. Sin embargo, en caso de escalamiento de la solución, la alta concentración de H2S apunta a una necesidad de implementar filtros más sofisticados a fin de no perjudicar los motores a biogás y la salud de los operadores.

Los resultados de la Tabla 3 indican que el biodigestor piloto se encuentra estable y tiene una buena capacidad buffer que neutraliza la acidez proveniente del efluente residual de mango y palta (ver Tabla 1), además de la acidogénesis propia del proceso de DA. El efecto de la capacidad buffer se ve potenciada por la agitación del sistema y el pre-tratamiento del efluente.

CONCLUSIONES

El pre-tratamiento del efluente logra reducir el efecto que tiene la acidez de los efluentes sobre la estabilidad biológica. Además, la agitación del sistema logra favorecer el efecto buffer que tienen los lodos sobre el efluente para facilitar su digestión y transformación a metano. Esta reforma en la estructura del biodigestor y el ajuste progresivo de la alimentación logran una mayor adaptación del piloto y optimizan la DA.

BIBLIOGRAFÍA

1. PerúRetail. Perú: Exportaciones de frutas alcanzaron récord histórico a mayo del 2020. Economía, Nacionales. Published 2020. Accessed July 30, 2020. https://www.peru-retail.com/peru-exportaciones-de-frutas-alcanzaron-record-historico-a-mayo-del-2020/#:~:text=Entre enero y mayo del,Exterior y Turismo (Mincetur).
2. Gestión. Perú exportó volumen récord de mango fresco en campaña 2019/2020. ECONOMÍA. Published 2020. Accessed July 30, 2020. https://gestion.pe/economia/peru-exporto-volumen-record-de-mango-fresco-en-campana-20192020-noticia/
3. ADEX. Despachos de palta al exterior sumaron US$ 3 millones 623 miml. Nota de prensa. Published 2020. Accessed July 30, 2020. https://www.adexperu.org.pe/notadeprensa/despachos-de-palta-al-exterior-sumaron-us-3-millones-623-mil/#:~:text=La mayor exportación de palta,año%2C informó la Asociación de
4. Ministerio del Ambiente. Estándares de Calidad Ambiental para Agua (ECA). El Peru. Published online 2017:6-9. http://www.minam.gob.pe/wp-content/uploads/2017/06/DS-004-2017-MINAM.pdf
5. OEFA. Plan Anual de Evaluación y Fiscalización Ambiental del OEFA – PLANEFA 2020. Published online 2019. https://www.oefa.gob.pe/planefa/planefa-2019
6. Agencia Andaluza de la Energía. Estudio Básico Del Biogás.; 2011. https://www.agenciaandaluzadelaenergia.es/sites/default/files/estudio_basico_del_biogas_0.pdf
7. Barbachan M. La Responsabilidad Social Empresarial en el Perú: Desafíos y Oportunidades. InnovaG. 2017;14:56-62. http://revistas.pucp.edu.pe/index.php/innovag/article/view/18749/18989
8. MINEM. Balance Nacional de Energía. Minist Energía y Minas (Gobierno Perú). Published online 2018.
9. Parra Orobio BA, Torres Lozada P, Marmolejo Rebellón LF, et al. Influence of pH on anaerobic digestion of municipal bio-wastes. Rev UDCA Actual Divulg Cientíica. 2014;17(2):553-562. doi:http://www.scielo.org.co/pdf/rudca/v17n2/v17n2a27.pdf