Optimización en el tratamiento de las fracciones orgánica y de rechazo procedentes de resíduos urbanos

Resumen

[ES] Con el fin de fomentar una correcta gestión de los residuos urbanos (RU), la Unión Europea redactó la Directiva Europea 1999/31/CE, una de las más ambiciosas e importantes políticas europeas sobre residuos. En ella se indica la jerarquía que se debe seguir en el tratamiento de los RU fomentando por este orden, su reducción, reutilización, reciclaje, valorización y, por último, el depósito en vertedero. Se establecen, además, unos objetivos de reducción del material biodegradable que se destina a vertedero. Para cumplir con estas premisas, en la región de Castilla y León, además de fomentar el reciclado aumentando el número de contenedores destinados a la recogida selectiva, se construyeron durante las últimas décadas hasta 12 Centros de Tratamiento de Residuos (CTRs). En estos CTRs se realizan fundamentalmente las tareas de reciclado y transformación, separando por un lado la materia orgánica contenida en los RU y recuperando por otro las distintas fracciones susceptibles de ser recicladas tales como el plástico, los metales o el papel. La materia orgánica es estabilizada mediante un tratamiento biológico produciendo biogás o compost reduciendo así la cantidad de materia biodegradable que se deposita en vertedero. Sin embargo, años después de la entrada en vigor de dicha Directiva Europea, la información relativa a la gestión de residuos en la zona de estudio es escasa. Datos tan importantes como la composición de los RU y su evolución en el tiempo o los rendimientos que se consiguen en los centros de tratamiento, son aún desconocidos. Un mayor grado de conocimiento acerca de estos aspectos podría favorecer el desarrollo o la optimización de procesos que sean alternativas reales para la gestión de los RU. En la actualidad, uno de los principales retos para la ingeniería química es la transformación de estos residuos en materias primas valiosas para otros procesos. Además, debido a la gran cantidad de RU generada anualmente y a nivel mundial, cualquier avance en este campo tiene un grandísimo impacto. Teniendo en cuenta que las corrientes más importantes generadas con el actual modelo de gestión son la fracción orgánica y el rechazo o combustible derivado del petróleo (CDR), el enfoque de este trabajo se centrará en la optimización del tratamiento de ambas fracciones. La materia orgánica es tratada mediante dos tipos de tratamiento biológico en esta región, el compostaje y la digestión anaerobia. El producto principal de las instalaciones de compostaje es un material bioestabilizado que, si tiene la calidad suficiente, puede utilizarse como enmienda orgánica o sustrato de cultivo. La digestión anaerobia, además del material bioestabilizado, produce biogás que se utiliza para generar electricidad. El análisis completo de ambas biotecnologías permitirá conocer el rendimiento real de ambos procesos así como detectar sus debilidades y fortalezas de manera que se puedan proponer alternativas para su optimización desde un punto de vista tecnológico y medioambiental. Por otro lado, conocer la composición del rechazo de los centros de tratamiento permitiría evaluar el grado de cumplimiento de la Directiva Europea así como evaluar otras opciones de valorización alternativas al depósito en vertedero acordes con la jerarquía del tratamiento de RU. Se debe incluir, por tanto, un análisis del ciclo de vida del sistema actual de gestión de los RU de Castilla y León así como de las distintas alternativas propuestas. Como primer paso, se realizaron visitas de carácter técnico a los 10 CTRs que se encontraban en funcionamiento en esta región al inicio de la investigación. Durante estas visitas se recopiló la información más relevante relativa al diseño de dichos centros, las operaciones unitarias que se realizan así como las especificaciones de los equipos que realizan dichas operaciones, prestando especial atención a las áreas de compostaje y digestión anaerobia. El proceso en términos generales es similar en todos los centros. Cuenta en primer lugar con una separación de la materia orgánica por medio de un trómel de entre 80 y 90mm de tamaño de malla y con una recuperación posterior de los materiales reciclables que se realiza de manera manual en 9 de los 10 CTRs. En 5 CTRs existen módulos de biometanización, sin embargo, solamente 3 de ellos se encontraban en funcionamiento. Los gestores alegan problemas de excesivo contenido en inertes en el material de entrada. En todos los centros existen, no obstante, módulos de compostaje. En aquellos en los que el compostaje es el único tratamiento biológico, toda la materia orgánica separada en el trómel es llevada hasta estos módulos mientras que, en los centros con biometanización, es el digestato obtenido el que es estabilizado. En todos los CTRs se obtiene por tanto un bioestabilizado que puede ser vendido como enmienda orgánica, pero este producto tiene muy distinta aceptación en función del centro en el que se produce. Otro de los problemas detectados en esta etapa es la colmatación excesivamente temprana de los vertederos adyacentes a los CTRs. De acuerdo con los datos proporcionados, de media se destina a vertedero el 70% en masa de los RU en masa que son tratados en las plantas. Para conocer los rendimientos de los CTRs de la región se realizaron caracterizaciones de las corrientes principales, RU en masa (entrada al CTR), rechazo o CDR (con actual destino a vertedero), materia orgánica (entrada a los procesos biológicos) y materia orgánica compostada (salida del proceso de compostaje). Tras la realización de un total de 32 caracterizaciones se obtuvo una composición media tanto para los RU en masa como para el CDR; en el primer caso supone una actualización frente a los últimos resultados de la región que datan de 2005 mientras que en el caso del CDR se obtiene su composición por primera vez. Teniendo en cuenta las caracterizaciones del CDR y los balances másicos aportados por los CTRs se puede comprobar que las tasas de reducción de material biodegradable fijadas por la Directiva Europea 1999/31/CE y su transposición española (RD 1481/2001) se cumplieron en el año 2006 fundamentalmente por la instalación de 10 CTRs. Sin embargo, no se alcanzó el objetivo de 2009 a pesar de que la reducción en la cantidad de CDR destinado a vertedero fue importante. Para cumplir con el objetivo de 2016, teniendo en cuenta las tendencias actuales, se debe reducir aún más el CDR que se deposita en vertedero o aumentar la recuperación del material biodegradable en los CTRs. Tampoco se cumplieron los objetivos fijados por la legislación regional, más ambiciosos que los fijados a nivel europeo, relativos a la reducción tanto en la cantidad de CDR como en la de materia orgánica depositados en vertedero. Con respecto a los materiales reciclables, el CDR aún está compuesto en más de la mitad de su peso por materiales susceptibles de ser reciclados como papel y cartón o plásticos. En términos generales, las tasas de recuperación de los materiales mediante sistemas mecanizados son más elevadas que las manuales. Los metales férricos y no férricos se recuperan de media hasta en un 62% aproximadamente mientras que recuperaciones manuales como la del papel y cartón alcanza en el mejor de los casos un 40%. Estos ratios podrían aumentarse siempre que se aumente el número de operadores dedicados a estas tareas o se sustituyan por elementos mecánicos novedosos como el sistema óptico instalado en el CTR8, que mostró gran eficacia. Los rendimientos de recuperación manual están claramente influenciados por el precio de los materiales reciclables, en este momento las tasas más elevadas se obtienen para el PET (politereftalato de etileno) y los bricks con un 60 y un 40% respectivamente, aunque otros plásticos como el PEAD (polietileno de alta densidad) son también recuperados manualmente en todas las instalaciones. Sin embargo, la recuperación de papel y cartón únicamente se realiza en 3 de los 10 CTRs analizados, de ahí su alto porcentaje en el CDR. Esta es una de las principales causas por las que se incumplen las directrices relativas a la cantidad de material biodegradable en el vertedero. Claramente, se deben aumentar los ratios de recuperación de este material en la región. Para evaluar otras opciones de tratamiento del CDR alternativas al depósito en vertedero y una vez conocida su composición, se analizaron algunos de sus parámetros energéticos más importantes como la humedad, la composición elemental, el poder calorífico superior o su contenido en cenizas. Teniendo en cuenta los valores de humedad (cercana al 20%) y el poder calorífico inferior del CDR generado en los CTRs de Castilla y León (17 MJ/kg), puede concluirse que la incineración de este combustible sería rentable energéticamente. Además de la corriente de CDR, se han evaluado los rendimientos de los tratamientos que recibe la corriente de materia orgánica. Para ello se caracterizaron hasta 30 muestras de las corrientes de entrada a los procesos tanto de compostaje como de digestión anaerobia así como la corriente de salida del proceso de compostaje. La composición de la materia orgánica que se obtiene como hundido en los trómeles de 80-90 mm presenta una gran cantidad de materiales impropios (9% plásticos, 11% vidrio) que, por tratarse de materiales inertes, aparecen también en las corrientes de salida del compostaje. Estos impropios, aunque durante el compostaje actúan como estructurantes (es el caso de los plásticos), deben ser eliminados en la etapa de refino del compost. También deben eliminarse en esta etapa elementos altamente contaminantes como las pilas, ya que aparecieron en hasta en 7 de las 30 muestras caracterizadas y nunca deben alcanzar el bioestabilizado. Parece claro que se debe aumentar la concienciación ciudadana para segregar correctamente los residuos y depositar este tipo de residuos peligrosos en los contenedores habilitados para ello. Sería necesario analizar también si el número de contenedores es el adecuado incluso en las poblaciones más pequeñas de la región. Con el fin de comprobar la calidad del producto principal del compostaje, el bioestabilizado, se analizaron hasta 3 muestras de cada uno de los 10 CTRs. Para ello, se utilizó la metodología específica recomendada por la legislación para abonos orgánicos y los resultados fueron comparados con los límites establecidos por el RD 506/2013 relativo al poder fertilizante de las enmiendas orgánicas. De acuerdo con este texto, los bioestabilizados deben cumplir una serie de requisitos físico químicos para ser considerados fertilizantes de clase A, B o C en función de la calidad de los mismos (siendo la A la mejor de las tres). Tras el análisis de los resultados obtenidos para los bioestabilizados elaborados en la región en parámetros como la humedad, el porcentaje en materia orgánica, la relación C/N, el porcentaje de impurezas, la distribución del tamaño de partícula, el pH o la concentración de nutrientes y metales pesados, solamente 3 de ellos cumplían los requerimientos marcados por la legislación, los producidos en los CTRs 3, 4 y 10. Ninguno de ellos consigue la mejor calidad (clase A), el bioestabilizado del CTR10 es catalogado dentro de la clase B mientras que los producidos en los CTRs 3 y 4 pertenecen a la clase C y deben cumplir con ciertas limitaciones de dosis durante su aplicación a los suelos. A pesar de la presencia entre los residuos de productos peligrosos como son las pilas y baterías, la concentración de metales pesados no es la principal razón de la baja calidad de los productos. Únicamente en el caso del plomo se encontraron dos muestras con un valor superior al permitido, lo que hace inutilizable el bioestabilizado producido en el CTR 6. Además del contenido en plomo, el bioestabilizado generado en el CTR6 presenta el mismo problema que los otros 6 bioestabilizados que se han encontrado no adecuados para su uso como enmiendas orgánicas: el elevado porcentaje de impurezas de un tamaño superior a 2mm. Parece claro que se está obteniendo, de manera generalizada, un bajo rendimiento en los sistemas de afino. En la mayoría de los centros, el afino se realiza mediante trómeles, mesas densimétricas y ciclones. Cuanto menor es la malla del trómel de afino, menos material se obtiene pero con un menor contenido en impurezas; del mismo modo, la mesa densimétrica puede ser ajustada mejorando la separación a costa de cierta pérdida de material. Sería preferible mejorar la calidad del producto reduciendo la producción antes que la acumulación de toneladas de producto de baja calidad tal como ocurre en la actualidad. Sin embargo, la demanda de este producto no parece estar relacionada con la calidad; el bioestabilizado de mayor calidad (CTR10) se regala a los agricultores de la zona mientras que, en otras provincias, se paga por productos de peor calidad que no cumplen con los requisitos de la legislación. Para asegurar la protección de los suelos de la región y conseguir además una mejor aceptación de este producto cuando tiene la calidad necesaria, se debe someter a controles y certificaciones de calidad. Por otro lado, el funcionamiento de la tecnología que utiliza la digestión anaerobia como tratamiento biológico de la materia orgánica, disponible en algunos de los CTRs de la región, no está resultando satisfactorio. En 2 de los 5 centros se encontraba parada, en uno de ellos por las obras destinadas a mejorar su rendimiento puesto que la materia orgánica llega al reactor con gran cantidad de inertes y, en el otro caso, se ha optado por tratar toda la materia orgánica mediante compostaje a pesar del diseño del CTR. El único centro que afirmaba obtener buenos rendimientos en esta etapa fue el CTR9. Este centro tiene la particularidad de ser el único que realiza la digestión por vía seca, es decir, con un porcentaje de sólidos más elevado que el resto y, además, la materia orgánica que se lleva a este proceso proviene de una recogida selectiva (la única que existe en la región). A la vista de las caracterizaciones de la materia orgánica obtenida como hundido del trómel con una gran cantidad de inertes, es de esperar que la materia orgánica recogida de manera selectiva evite los problemas a los que aluden el resto de centros. Con el fin de proponer posibles mejoras para el proceso, se ha optado por estudiar en profundidad, a escala de laboratorio y piloto, la biometanización de la fracción orgánica contenida en los RU en las condiciones que resultan problemáticas para los gestores, vía húmeda y materias primas no seleccionadas. Tras una primera evaluación de las condiciones de operación en la que se realizaron dos experiencias discontinuas en paralelo con la fracción orgánica seleccionada y no seleccionada, se observó una mayor producción de metano en el caso de la materia prima seleccionada aunque el proceso fue más lento. La adición de inóculo en el caso de la materia prima seleccionada ayudó a acelerar el proceso. La experiencia discontinua permitió confirmar la viabilidad del proceso en las condiciones de operación de los CTRs, es decir, fracción orgánica no seleccionada, vía húmeda, régimen mesófilo y sin inóculo, y seleccionar el tiempo de residencia que maximiza la producción de biogás, 20 días. Estas condiciones se reprodujeron en la planta piloto instalada en el laboratorio para una capacidad de tratamiento de 400 ml/d y un tamaño de reactor de 5 litros. La planta operó en continuo durante casi 100 días reproduciendo el arranque de las plantas comerciales: una primera etapa en circuito cerrado que permite el crecimiento de la biomasa en el interior del reactor y una segunda etapa en circuito abierto en la que la planta fue alimentada con un influente preparado a partir de una corriente real de uno de los CTRs de la región. En esta segunda etapa, tras 20 días se alcanzó el estado estacionario y a pesar de los cambios observados en la composición del influente, se necesitaron 10 lotes, se obtuvo un efluente de composición estable. Estos cambios en la composición del influente, a pesar de haberse preparado en las mismas condiciones, reflejan la variación a las que están sometidos estos procesos por la naturaleza tan diversa de sus materias primas. Sin embargo, se ha observado que una población microbiana estable es capaz de amortiguar estas variaciones y mantener la composición en el efluente. Se mantuvo la carga orgánica del efluente en valores de 3000 mg O2/l para influentes con cargas entre 10000 y 20000 mg O2/l, es decir, una degradación de la materia orgánica de hasta el 90% con una producción de metano esperada proporcional a esta degradación. Se concluyó la investigación con la determinación de la cinética del proceso. Tras la determinación de los parámetros cinéticos y su aplicación en los modelos de Monod, Contois, Chen y Hashimoto, Mc Kinney, Eckenfelder y Grau, se observó un mejor ajuste en el caso del Modelo de Contois con una velocidad específica de degradación ligeramente superior a la encontrada por otros autores para casos en los que la materia prima del proceso es materia orgánica seleccionada en origen. En los CTRs el efluente del digestor anaerobio es sometido a una centrifugación para separar la fase líquida (que es devuelta al proceso) de la sólida (digesto o lodos de digestión). Los lodos de digestión son llevados a los túneles y sometidos a un ciclo completo de compostaje antes de su venta como enmienda orgánica. Para tratar de optimizar esta etapa, se analizaron en los lodos de digestión del CTR1 los parámetros más importantes de entre los requeridos por la legislación. El resultado fue que el contenido de materia orgánica, la relación C/N y el resto de parámetros eran los adecuados pero su contenido en Cadmio estaba por encima de los límites permitidos. Puesto que en el bioestabilizado de este CTR1 no se encontró un exceso de metales pesados, debe considerarse este hecho como puntual y descartarse la partida procedente de estos lodos de digestión aunque cabe esperar que el resto alcance la calidad suficiente. Puesto que el único parámetro que es necesario ajustar tras la etapa de digestión anaerobia parece ser la humedad y ya que hay que asegurar una completa higienización del producto, se propone reducir el ciclo de compostaje de estos lodos a una única etapa de maduración. Sin embargo, durante esta etapa de maduración se debe aumentar la temperatura y la aireación dentro de los túneles para permitir al producto alcanzar la calidad adecuada. Se ha completado el análisis del modelo de gestión de los RU en Castilla y León con un análisis del ciclo de vida (ACV). Por un lado, se han evaluado los escenarios actuales con el objetivo de proporcionar una visión general de los impactos que tiene la operación de los CTRs sobre el medio ambiente. Por otro lado, con el fin de que los resultados de este análisis puedan ser utilizados como herramienta de apoyo en los procesos de toma de decisiones, se han evaluado desde el punto de vista medioambiental, las distintas mejoras identificadas durante este trabajo. Estas mejoras son la incineración del CDR en lugar de su depósito en vertedero, la optimización de los procesos biológicos anaerobios y la optimización de la recuperación de materiales reciclables. Los resultados del análisis mostraron que las actividades con una mayor influencia en la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero de entre las desarrolladas en los CTRs son la recuperación de materiales reciclables, el secuestro de carbono en los vertederos y la recuperación energética a través de la digestión anaerobia. No obstante, de entre las alternativas propuestas, la incineración del CDR no parece proporcionar beneficios ambientales claros. Solamente se obtendrían beneficios ambientales en la categoría de calentamiento global si la energía marginal sustituida por la energía generada en la incineración del CDR fuese el carbón. Si la energía marginal es el gas natural, opción más realista en la región en la actualidad, la incineración del CDR no presenta ventajas ambientales frente al depósito en vertedero en la categoría más importante. Sí es claramente favorable en el resto de categorías aunque se necesitaría una base más solida para sostener este cambio tan importante en la gestión de RU de la región. Sí es claro, sin embargo, el beneficio de un aumento en los porcentajes de recuperación de materiales reciclables y en el tratamiento de la materia orgánica mediante digestión anaerobia en lugar de compostaje incrementando en la medida de lo posible el rendimiento de las instalaciones actualmente en funcionamiento. Como conclusión final de este trabajo se puede decir que se han identificado una serie de puntos clave en los que aún se puede mejorar el modelo de gestión de los RU en la región. Asimismo, se ha aumentado el grado de conocimiento de la composición y las características más importantes, tanto de los RU que constituyen la entrada a los CTRs, como de todos los productos obtenidos tras el tratamiento mecánico y biológico. Esto permite hacer una serie de propuestas para continuar mejorando el rendimiento de dichos procesos que aún dista de ser el óptimo por causa, entre otras cosas, de la gran heterogeneidad en la composición de las materias primas que, por su naturaleza, no puede ser controlada. Las recomendaciones surgidas tras la finalización de este trabajo de investigación han sido puestas en conocimiento de los principales actores implicados en la gestión de RU y algunas de ellas pueden resultar de aplicación inmediata. De acuerdo con estos resultados, para optimizar el rendimiento tanto de las plantas en funcionamiento como las de nueva construcción, se debe: optimizar la recuperación de materiales reciclables a través de una mayor automatización de la separación; dar prioridad a la digestión anaerobia con producción de electricidad frente al compostaje; mejorar el rendimiento de la digestión anaerobia con un mejor control del proceso y un aumento en la reutilización del calor residual; y aumentar la calidad de los bioestabilizados antes de su uso como enmiendas orgánicas principalmente mediante mejoras en la etapa de refino.