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Red de Revistas Científicas de América Latina y el Caribe, España y Portugal
SECADO DE RESIDUOS DE JARDINERÍA EN REACTORES MEDIANTE
PROCESOS BIOLÓGICOS
Francisco J. COLOMER MENDOZA
1,3*
, Lidón HERRERA PRATS
1
, Fabián ROBLES MARTÍNEZ
2,3
,
Antonio GALLARDO IZQUIERDO
1,3
y Mar CARLOS ALBEROLA
1,3
1
Departamento Ingeniería Mecánica y Construcción, Universidad Jaume I. Av Sos Baynat s/n, Castellón de la
Plana, C.P. 12071, España
2
Unidad Profesional Interdisciplinaria de Biotecnología. Instituto Politécnico Nacional
3
Red de Ingeniería en Saneamiento Ambiental, REDISA (www.uji.redisa.es)
*Autor responsable; fcolomer@emc.uji.es
(Recibido agosto 2011, aceptado enero 2012)
Palabras clave: biosecado, estabilización, fermentación aerobia, poder caloríFco, texturizante
RESUMEN
El biosecado consiste en disminuir la humedad y estabilizar la materia biodegradable
para obtener un producto útil como combustible o como paso previo a su depósito en
vertedero. Para ello, se aprovecha el calor de la fermentación aerobia de la materia
biodegradable. Los parámetros que controlan el proceso son: aireación, temperatura
alcanzada y humedad inicial. En este trabajo, se han empleado como sustrato los re-
siduos de jardinería de la Universidad Jaume I de Castellón. El biosecado se realizó
en reactores de 25 litros de capacidad en los que se aprovechó el calor generado en la
fermentación. La trituración de los residuos y la aireación de estos mejoraron el proceso
de biosecado. Los tiempos de secado fueron de 20 días, reducciones de volumen entre
el 45.5 y el 63.2 % y de peso del 39.9-57.2 %. El residuo Fnal redujo su humedad
hasta un 41.4 % y alcanzó un poder caloríFco Fnal (2000 kcal/kg) adecuado para ser
usado como combustible.
Key words: biodrying, stabilization, aerobic fermentation, heating value, bulking agent
ABSTRACT
Biodrying consists in both reducing moisture and stabilizing organic compounds, in
order to obtain a useful product, such as fuel. It also can be applied as a previous step
to landFll. To achieve this goal, the heat generated in the aerobic fermentation is used.
Some parameters have to be controlled in the process, such as aeration, temperature
and initial moisture. In this research, gardening wastes from Universidad Jaume I of
Castellón (Spain) have been used. Biodrying has taken place in 25 liters-volume reactors,
where we took advantage of the heat generated in the aerobic fermentation.
Furthermore,
different air±ows were introduced in the reactors to supply oxigen to microorganisms.
So, in 20 days a reduction of 40-57 % in weight and 45.5-63.2 % in volume has been
observed. The Fnal waste reduced its moisture to 41.4 %, with a low heating value of
2000 kcal/kg, therefore it could be used as a fuel in an incineration plant.
Rev. Int. Contam. Ambie. 28 Sup. (1) 59-65, 2012
F.J. Colomer Mendoza
et al.
60
INTRODUCCIÓN
En este trabajo se desarrolla un proceso de
biosecado mediante reactores en los que se han de
-
positado residuos de jardinería. En anteriores expe
-
riencias realizadas por este equipo de investigación
se emplearon tanto reactores como invernaderos,
con diferentes mezclas producto, proporciones y
caudales, obteniéndose resultados del descenso de
peso, volumen y humedad signifcativos (Colomer
et al
. 2011).
El biosecado consiste en eliminar parte de la
humedad y estabilizar la materia orgánica biodegra
-
d
able para reducir el peso y el volumen, de forma
que se obtenga un producto que pueda ser utilizado
como combustible o simplemente para abaratar los
costos de transporte. Para ello, la acción combinada
del calor generado en la fermentación aerobia de
la materia biodegradable y un adecuado Fujo de
aireación, facilitarán que el contenido de humedad
baje y por lo tanto se reduce el peso y el volumen.
Por consiguiente, el producto ya biosecado podrá
valorizarse tanto energéticamente, como ser llevado
a un vertedero, con una menor carga ambiental. Esto
es debido a que se trataría de un residuo estabilizado
sin apenas generación de lixiviado y con menor
cantidad de humedad y peso (Adani
et al.
2002,
Sugni
et al
. 2005, Velis
et al
. 2009).
En el proceso de biosecado, la circulación de aire
forzado a través de la pila formada de residuos y el
calor producido en las reacciones de degradación
aeróbica de la materia orgánica favorecen la eva-
poración del agua contenida en los residuos (Velis
et al
. 2009). En cualquier caso, el secado no sólo
es producido por estas dos únicas causas, sino por
algunas variables más que se encuentran íntima-
mente ligadas, las cuales se enlistan a continuación:
Tipo de muestra:
el tipo de muestra tratada
determinará las condiciones que se produz-
can en el biosecado. Es decir, las caracte-
rísticas del material establecerán tanto el
resultado del biosecado, como la duración
del mismo.
Tiempo de permanencia:
el tiempo de perma-
nencia es el periodo de funcionamiento del
experimento, que vendrá establecido por la
progresiva caída de temperatura del interior del
residuo y por la disminución de la humedad
de la muestra.
Microorganismos responsables del biosecado:
en el proceso de biosecado la fermentación
se realiza aerobicamente siendo la masa de
residuos atacada por una población de micro-
organismos que se nutren de los componentes
más digeribles generando calor (Madigan y
Martinko 2006).
Temperatura:
la temperatura es un parámetro
clave en el biosecado. La actividad microbiana
hace que la temperatura aumente. Una parte
del calor generado biológicamente servirá para
favorecer el crecimiento y la conservación de
los microorganismos presentes, mientras que
el resto sirve para mejorar la evaporación del
agua en la matriz porosa (Bailey y Olis 1986,
Prescott
et al
. 1993).
Humedad:
la presencia de nutrientes y hume-
dad en el sustrato propiciará la proliferación
de bacterias que degradan la muestra (Zhang
et al
. 2008)
Aireación:
el Fujo de aire ±orzado es necesario
para proporcionar oxígeno a las bacterias aero
-
bias, eliminar el agua de la matriz y arrastrar
la humedad ambiental hacia el exterior del
reactor (Roy
et al
. 2006).
Adición de material texturizante (MT):
En
algunos estudios la presencia de material de
granulometría mayor que el residuo biosecado
inFuye positivamente en el secado, ya que se
favorece la aireación en el interior de la pila
(Yañez
et al
. 2009, Robles
et al
. 2010).
Los parámetros de control del proceso están
fuertemente ligados y por ello es clave investigar
cómo pueden afectar al rendimiento del secado y la
estabilización de los residuos tratados. El objetivo
fundamental del presente trabajo fue estudiar la re-
ducción de humedad, peso y volumen en reactores.
Para ello, se hizo necesario realizar diversas variacio-
nes atendiendo a las variables principales que afectan
al funcionamiento del proceso:
Determinar el efecto de la ventilación
Estudiar la evolución del biosecado depen-
diendo del tipo de muestra
Contrastar la efciencia mediante la adición de
material texturizante
Una vez biosecado el residuo, éste aumenta su
poder calorífco. Dependiendo del resultado
de las distintas experiencias, la muestra podrá
ser utilizada para varios usos, aunque el más
sostenible desde el punto de vista ambiental
sería la incineración previo peletizado del
residuo (Navaee-Ardeh
et al.
2010).
BIOSECADO DE RESIDUOS EN REACTORES
61
MATERIALES Y MÉTODOS
En este proyecto de biosecado a escala de labora-
torio, se colocaron muestras de césped procedentes de
la zona verde de la Universidad Jaume I de Castellón
en cuatro reactores de 25 litros de capacidad. Los
reactores estaban ubicados en una sala cerrada donde
se monitoreaban la temperatura y la humedad del aire.
El caudal de aire se inyectaba por un tubo conectado
con cuatro difusores, liberándose el gas resultante por
un orifcio situado en la tapa del bidón. En el caso del
lixiviado generado, se recogió diariamente mediante
una abertura en la parte inferior del bidón (
Fig. 1
).
Cada reactor estaba repartido en dos comparti-
mentos. El inferior ocupaba una altura de 18 cm y
albergaba 4 difusores por los que salía el caudal de
aire. En el compartimento superior se instaló una
base metálica que funcionaba como sostén de los
residuos, sobre la cual se depositó el volumen de
muestra para biosecar.
Descripción de la experiencia
Las muestras de césped necesarias para este ex
-
perimento se recogieron de los contenedores donde
se depositan los restos de poda de la Universidad.
Se dispusieron cuatro reactores cargados con 7 kg
de césped cada uno, con diferentes caudales de
suministro de aire, desde 2 L/min hasta 8 L/min
(medidos en caudalímetro) que corresponde a unos
caudales de 1.21 a 4.85 L/min/kg de materia seca
(m.s.) (
Cuadro I
).
Obtención de datos
Una vez cargados los reactores se inició la expe
-
riencia, inyectando caudal de forma continua durante
20 días. Durante este periodo se monitoreó el aire
de la sala donde se ubicaban los bidones, además
de controlar diariamente los siguientes parámetros:
Generación de lixiviados, medición de vo-
lumen y pH de los mismos:
una vez anotado
el volumen diario generado de lixiviados, se
analizó el pH.
Control de la disminución de peso de los
reactores:
diariamente se pesó el bidón con
una balanza portátil. Esta disminución del peso
estaba relacionada con la pérdida de humedad
de la muestra (
Fig. 2
).
Análisis del gas de escape:
se revisó dos veces
al día la composición de los gases de salida de
los reactores (CH
4
, CO
2
, O
2
y NH
3
) mediante
un analizador portátil Dräger modelo SEP
8314060 (
Fig. 3
).
Control de temperatura interna:
se midió
también tres veces al día la temperatura en el
centro de la pila de residuos en tres puntos a
diferente altura mediante sondas de composta
marca Leybold Didactic Gmbh modelo 666
210 (
Fig. 4
).
Después de los 20
días, se descargó el reactor
y se tomaron muestras del residuo biosecado para
analizar su humedad. Para ello se secó en la estufa
Difusores
Sondas de temperatura
Entrada
de aire
40
18
62
Salida de
aire
residuo
Salida de
lixiviado
Fig. 1.
Esquema de los reactores donde se realiza el biosecado
(cotas en cm)
CUADRO I.
DATOS OBTENIDOS DEL RESIDUO INICIAL Y DESPUÉS DE 20 DÍAS DE BIOSECADO
Reactor
Tasa de aireación
Humedad
inicial/fnal
(%)
% H
2
O
convertida en
lixiviado
pH
lixiviado
% agua
evaporada
% pérdida
de peso
L/min
L/min/kg
(m.s.)
1
2
1.21
76.4/60.8
2.5
8.85
52.2
39.9
2
4
2.42
76.4/50.3
1.9
8.86
68.8
52.6
3
6
3.64
76.4/47.6
0
--
72.0
55.9
4
8
4.85
76.4/44.8
0
--
74.9
57.2
F.J. Colomer Mendoza
et al.
62
a 105 ºC siguiendo el proceso de la norma UNE
32-002. El residuo seco se trituró en molino de
cuchillas hasta un tamaño de partícula en el que el
98.75 % pasan por un tamiz de 2 mm. El residuo
se mezcló de forma homogénea y se determinó el
poder calorífco mediante calorímetro isoperibólico
(PARR 1261®) según la norma UNE 32 006:1995.
El contenido de nitrógeno se analizó mediante el
equipo de conductividad térmica (LECO FP-528®).
Carbono y azufre se determinaron con equipo de
espectrometría infrarroja (LECO SC 144 DR®) y
el hidrógeno se midió por espectrometría atómica
de masas. Siguiendo las normas UNE 32-004-84 y
UNE 32-019-84 se investigó también el contenido
en cenizas y sólidos volátiles, respectivamente. Los
datos
mostrados son el promedio de cuatro análisis
en todos los casos (
Cuadro II
). Con estos datos
se estimaron las condiciones en las que se realizó
la valorización energética. Con el poder calorífco
inferior (PCI) del residuo se pudo prever el calor
desprendido en la combustión, que podría ser trans-
formado en energía eléctrica. Con el contenido de
sólidos volátiles, carbono, azufre y nitrógeno es
posible estimar las emisiones de gases contami-
nantes en el proceso de combustión (CO
2
, NO
2
y
SO
2
) determinando la necesidad o no de instalar
sistemas de depuración de gases. La relación C/N
es un indicador que informa sobre la capacidad
fertilizante de ese residuo. Por último, el contenido
en cenizas obtenido de las muestras determinó el
peso de residuos (escorias) que quedarían tras la
incineración.
RESULTADOS
Los reactores se llenaron de césped segado con
una humedad inicial del 76.4 %, reduciéndose des-
pués de 20 días hasta 44.8 %
en el reactor 4 frente
a 60.8 % del reactor 1 (
Cuadro I
). La disminución
de volumen ha sido 45.5 % en el reactor 1, 59.1 %
en el reactor 2, 61.4 % en el reactor 3 y 63.2 % en el
CUADRO II
. DETERMINACIÓN DE PODER CALORÍFICO Y ANÁLISIS ELEMENTAL DEL RESIDUO
Reactor
PCI
inicial
PCI
fnal
C (%)
fnal
m.s.
N (%)
fnal
m.s.
C/N
H (%)
fnal
m.s.
S (%)
fnal
m.s.
Cenizas (%)
fnal
m.s.
Sólidos volátiles
(%)
Inicial/fnal
m.s.
1
452.5
1462.2
31.6
3.3
9.6
5.3
0.3
3.9
90.3
78.4
2
2016.3
32.8
3.2
10.3
4.9
0.3
4.5
75.5
3
2127.8
30.8
3.3
9.3
5.4
0.5
4.4
74.1
4
2270.6
33.1
3.0
10.0
5.4
0.4
3.8
73.8
Fig. 2.
Evolución del porcentaje de pérdida de peso
10
20
30
40
50
60
70
80
05
10
15
20
% perdida de peso
Tiempo (días)
1
2
3
4
Reactor
Fig. 3.
Evolución en la composición del gas de salida (O
2
y
CO
2
) en los distintos reactores
0
5
10
15
20
25
05
10
15
20
Concentración de gases (%)
Tiempo (días)
[O
2
]
[CO
2
]
1
Reactor
2
3
4
Fig. 4.
Evolución de la temperatura media interior de la masa
de residuos en los distintos reactores
0
10
20
30
40
50
60
05
10
15
20
Temperatura (ºC)
Tiempo (días)
1
Reactor
2
3
4
BIOSECADO DE RESIDUOS EN REACTORES
63
reactor 4. Únicamente en los reactores 1 y 2 se generó
lixiviado, obteniéndose 2.5 % de agua convertida en
lixiviado en el reactor 1 y 1.9 % en el reactor 2, el
resto se elimina como agua evaporada. Por otro lado,
se determinó el PCI del residuo biosecado después
de 20 días. El PCI se incrementó desde 452.45 hasta
1971.23 kcal/kg en el reactor 4 (
Cuadro II
).
Sin embargo, a partir de los datos de la
fgura 2
el
porcentaje de pérdida de peso aumenta en 31.8 % del
reactor 1 al reactor 2, mientras que del reactor 2 al
reactor 3 hay un incremento del 6.3 % y del reactor 3
al reactor 4 sólo del 2.3 %. La pendiente de las líneas
que relacionan el porcentaje de pérdida de peso con
respecto al tiempo varía en función del caudal de
aire (
Fig. 2
).
En la
fgura 3
se puede observar la evolución
que existe en la composición del gas de salida del
reactor. Durante los primeros días la proporción de
CO
2
fue de 8.4 en el reactor 1, 3.3 en el reactor 2,
2.2 en el reactor 3 y 1.9 en el reactor 4. Sin embargo,
esta proporción fue disminuyendo a medida que pa-
saban los días, llegando a valores de 0.43, 0.12, 0.10
y 0.03 en los reactores 1, 2, 3 y 4, respectivamente.
La concentración de O
2
en el gas emitido tuvo un
comportamiento opuesto, ya que fue aumentando
con el tiempo. Así pues, el primer día el porcentaje
de oxígeno era de 14.1 en el reactor 1, el 17.7 en
el reactor 2, el 18.5 en el reactor 3 y el 19.0 en el
reactor 4. Los valores fnales de concentración de
oxígeno Fueron de 20.1, 20.3, 20.4 y 20.4 en los
reactores 1, 2, 3 y 4, respectivamente. La concen-
tración de CH
4
fue nula en todas las mediciones,
lo que permite probar que la fermentación no es
anaerobia. La concentración de NH
3
, producto de
la descomposición de los residuos, fue irregular,
llegando a alcanzar valores de 141 ppm en el reactor
1, 126 en el reactor 2, 200 en el reactor 3 y 197 ppm
en el reactor 4. Estos valores máximos se obtuvieron
durante los primeros días de la experiencia (del 2º
al 4º día).
La evolución de la temperatura en el interior de
la masa de residuos ha seguido un comportamiento
bastante similar en los cuatro reactores, con un incre-
mento signifcativo durante los cinco primeros días
y un descenso progresivo a medida que disminuye
la humedad del residuo (
Fig. 4
).
En esta experiencia de biosecado se observa que
los caudales de 4, 6 y 8 L/min muestran un compor-
tamiento similar sin diferencias muy destacables en
cuanto al porcentaje de pérdida de peso, a pesar de
la diFerencia que existe en el caudal de aireación. La
mayor diferencia se observa entre el reactor 1 y el
reactor 2 (
Fig. 5
).
DISCUSIÓN
Tras el análisis de los resultados, se observa
que a partir del sexto día las proporciones de O
2
y CO
2
se estabilizan, lo que hace pensar en una
disminución de la actividad biológica ya que tanto
el residuo vegetal como los microorganismos van
dejando de consumir oxígeno y de liberar dióxido
de carbono (
Fig. 3
). El caudal de aire suministrado
y el aumento de temperatura entre 38 y 50 ºC en
los reactores 2, 3 y 4 durante los primeros seis días
(
Fig. 4
), favorecieron la evaporación del agua con-
tenida en los residuos, lográndose en este periodo
de tiempo una reducción en el peso entre 28 y 30
%. En contraparte, en el reactor 1 para el mismo
periodo de tiempo sólo se logró una pérdida de peso
de 19%; esta diferencia se debe básicamente a que
la fase termofílica del biosecado fue más larga en
los reactores 2, 3 y 4. En el reactor 1, la temperatura
bajó a 35 ºC desde el día 3 y ya no se recuperó, por
lo tanto, el aporte del calor metabólico para la eva-
poración del agua fue menor en este caso. Así pues,
se han secado restos de césped tanto por medio del
calor producido en la fermentación aerobia como
por el arrastre de humedad del caudal de aire. Se
observó que la fermentación proporciona la energía
necesaria para evaporar parte del agua contenida en
los residuos, alcanzando niveles por debajo del 45 %
lo que equivale a descensos de humedad de 20.4 %
en el reactor 1, 34.2 % en el reactor 2, 37.7 % en
el reactor 3 y 41.4 % en el reactor 4, que coincide
en parte con los datos proporcionados por Velis
et
al.
(2009) que reporta descensos de humedad de
25-30 % en 15 días.
Con estos valores de humedad, el residuo seco ob-
tenido en los reactores 2, 3 y 4 podría ser incinerado
en plantas de incineración de residuos con recupe-
ración de energía, las cuales aceptan materiales con
un PCI superior a 2000 kcal/kg (
Cuadro II
). Estos
Fig. 5.
Variación de la pérdida de peso fnal con respecto al
caudal suministrado
30
35
40
45
50
55
60
012345
6
Perdida de peso (%)
Caudal (L/min
u
kg ms)
F.J. Colomer Mendoza
et al.
64
datos de PCI son similares a los obtenidos en otras
experiencias con residuos urbanos con valores entre
1960 kcal/kg (Zhang
et al
. 2009) y algo menores con
respecto a otras que alcanzan las 3300 kcal/kg (Sugni
et al.
2005). Por otro lado, los niveles de S, C y N no
son excesivamente altos por lo que no se prevé que
en su incineración se superasen los límites de emisión
de CO, SO
2
ó NO
x
. Además, la proporción de cenizas
resultantes de la incineración es bastante baja.
En esta experiencia de biosecado se observa que
al aplicar los caudales de 4, 6 y 8 L/min se obtiene
un comportamiento similar sin diferencias muy des-
tacables en cuanto al porcentaje de pérdida de peso,
a pesar de la diferencia que existe en el caudal de
aireación. La mayor diferencia se observa entre los
reactores 1 y 2 (
Fig. 5
).
En el presente trabajo se han utilizado residuos
con una humedad inicial similar a otro tipo de resi-
duos biodegradables como la fracción orgánica de
los residuos urbanos (66.7 -75 %) (Adani
et al.
2002,
Zhang
et al.
2008, Zhang
et al.
2009), o residuos de
pulpa de papel de la industria papelera (75 %) (Na-
vaee-Ardeh
et al.
2006). Este método de biosecado
es similar al realizado por diversos autores, en donde
se utiliza una fuente externa de aire para eliminar la
humedad (Sugni
et al
. 2005, Navaee-Ardeh
et al.
2006, Zhang
et al.
2008, Zhang
et al.
2009, Velis
et
al.
2009, Navaee-Ardeh
et al.
2010).
CONCLUSIONES
En la presente experiencia se han secado residuos
de jardinería en reactores mediante la técnica cono-
cida como biosecado, en la cual el calor generado en
la fermentación aerobia se aprovecha para evaporar
parte del agua contenida en los residuos. El suminis-
tro de distintos caudales de aire a los reactores mostró
evoluciones similares en cuanto a la temperatura in-
terior del residuo, ya que no se observan variaciones
en función de los distintos caudales.
Una parte del agua se evapora por el incremento
de temperatura y otra parte por convección debida al
paso del aire a través del residuo. Es por ello, que a
mayor caudal de aire, mayor pérdida de humedad. Sin
embargo, la pérdida de humedad es mayor a medida
que se aumenta el caudal de aire suministrado, pero
en una relación no lineal, lo cual demuestra que un in-
cremento en el gasto energético por un mayor caudal
de aire no es proporcional a la mejora en la eFciencia
del biosecado, por lo que conociendo el consumo
energético del sistema de producción de aire, podría
obtenerse un caudal óptimo para el secado.
Así pues, el siguiente objetivo sería calcular el
costo energético que representa la generación de cau-
dales de aire y relacionar este costo con la eFciencia
del biosecado. De este modo podría calcularse un
caudal óptimo en L/min/kg m.s. y aplicarse para el
biosecado de residuos a mayor escala.
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen al Ministerio de Ciencia
e Innovación del Gobierno de España por la Fnan
-
ciación concedida mediante el proyecto ACI2009-
0993 en la modalidad Convocatoria de Ayudas del
Programa Nacional de Internacionalización de la
I+D. Subprograma de Fomento de la Cooperación
CientíFca Internacional (ACI-PROMOCIONA).
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