Codigestión Anaeróbica de Lodos y Residuos Orgánicos Municipales en Clima Tropical

Anaerobic Codigestion of Municipal Sludge and Organic Waste in Tropical Climate

Marian Ramírez^1,2* , Euclides Deago^1,2,3,4 , Lizenith Luque^1,2 , Nayelis Pitty^1,2 , Judith Arias^1,2 , Angelica Chen^1,2

¹Universidad Tecnológica de Panamá, Facultad de Ingeniería Civil, Panamá
²Grupo de Investigación Biosólidos: Energía y Sostenibilidad
³Centro de Estudios Hidráulicos e Hidrotécnicos CIHH, Universidad Tecnológica de Panamá, Panamá
⁴Centro de Estudios Multidisciplinarios en Ciencias, Ingeniería y Tecnología AIP (CEMCIT AIP)

Fecha de recepción: 18 de noviembre de 2023;
Fecha de aprobación: 15 de enero de 2024.

*Autor de correspondencia: [email protected]

DOI: https://doi.org/10.33412/idt.v20.1.3902

RESUMEN. La digestión anaeróbica permite la conversión de los lodos orgánicos provenientes de plantas de tratamiento de aguas residuales en fuentes de energía mediante la producción de biogás. Una manera de potenciar la producción obtenida mediante digestión anaeróbica es con la adición de otros sustratos al inóculo, mediante la codigestión anaeróbica. El objetivo de esta investigación fue evaluar el potencial energético de la codigestión de lodos y residuos orgánicos mediante la producción de metano, tomando en cuenta las propiedades fisicoquímicas de los materiales. Los ensayos de potencial de bioquímico de metano se llevaron a cabo mediante batch, mediante método manométrico utilizando el sistema Oxitop a una temperatura de 28°C por un tiempo de retención hidráulico de 10 días. Los ensayos de codigestión de Lodos orgánicos LD-LE resultaron con una producción de metano de 121.71mLCH₄/g SV para la relación 1:1 y 154.84 mLCH₄/g SV para la relación 2:1. Para la codigestion de LD-ROM se obtuvo una producción máxima de 294.92 mL CH₄/g SV para la relación 1:1, mientras que para la relación 2:1 fue de 296.58 mL CH₄/g SV. Los resultados obtenidos demuestran existen una disminución en el tiempo de retención hidráulico y el uso de lodo digerido como inóculo es positivo en la codigestión al reducir los tiempos de aclimatación.

Palabras clave. Biogas, codigestion, lodo digerido, metano, residuo orgánico.

ABSTRACT. Anaerobic digestion allows the conversion of organic sludge from wastewater treatment plants into energy sources through the production of biogas. One way to enhance the production obtained through anaerobic digestion is with the addition of other substrates to the inoculum, through anaerobic co-digestion. The objective of this research was to evaluate the energy potential of the co-digestion of sludge and organic waste through the production of methane, considering the physicochemical properties of the materials. The methane biochemical potential tests were carried out by batch, by manometric method using the Oxitop system at a temperature of 28°C for a hydraulic retention time of 10 days. The co-digestion trials of LD-LE organic sludge resulted in a methane production of 121.71 mLCH4/g SV for the 1:1 ratio and 154.84 mLCH4/g SV for the 2:1 ratio. For the co-digestion of LD-ROM, a maximum production of 294.92 mL CH4/g SV was obtained for the 1:1 ratio, while for the 2:1 ratio it was 296.58 mL CH4/g SV. The results obtained demonstrate a decrease in the hydraulic retention time and the use of digested sludge as inoculum is positive in co-digestion by reducing acclimatization times.

Keywords. Biogas, co-digestion, digested sludge, methane, organic waste.

1. Introducción

La digestión anaeróbica es la descomposición de los desechos orgánicos por los microorganismos en un ambiente sin oxígeno, resultado de esto es una mezcla de gases, entre ellos, el metano y dióxido de carbono conocido como biogás [1]. Este ha llegado a ser un tratamiento de gran importancia, debiéndose a que es una fuente de energía renovable. Dicha tecnología lleva siglos y se ha aplicado principalmente para la estabilización de lodos de depuradora [2]. En el año 1859, se construyó la primera planta de digestión anaeróbica en Bombay, India, y en Inglaterra se empezó con la digestión anaeróbica en el año 1895 utilizando las aguas residuales para alimentar las luces de la calle Exeter. Hoy en día, existen varios sistemas de digestión anaeróbica en países desarrollados, en especial, China, India y Nepal, mientras que Alemania, Austria y los escandinavos cuentan con plantas a gran escala industrial. En Alemania, la tecnología del biogás es avanzada y está siendo utilizada para producir electricidad verde en el rango Mega Watt[3].

Hace unos años nació el interés de utilizar la digestión anaeróbica con desechos orgánicos. Los residuos orgánicos se utilizan en la mayoría de los casos como sustrato en la codigestión y existen muchas investigaciones debido a las ventajas de esta mezcla, mencionando algunas de ellas: mejora el equilibrio de nutrientes, potencia rendimiento de biogás, mayor valor de fertilizante residual, en comparación con los métodos tradicionales de tratamiento de residuos orgánicos (incineración, vertedero, compostaje, etc.)[4].Recientes investigaciones mencionan que tratamientos rápidos para el manejo de los residuos orgánicos son la incineración o tratamientos hidrotermales, pero dichas tecnologías térmicas son energía intensiva y no devuelven carbono orgánico al suelo. Por otro lado, las tecnologías de conversión biológica como el compostaje y la digestión anaeróbica son las más factibles y utilizadas[5]. Sin embargo, la digestión anaeróbica es más ventajosa por la producción de bioenergía en comparación con el compostaje, ya que este no proporciona grandes incentivos económicos[6].

Desde el 2019, se realizan estudios en materia de digestión anaeróbica con los lodos residuales de la Planta de tratamiento de Aguas Residuales (PTAR) de Juan Diaz, donde los resultados obtenidos en monodigestiones de lodo orgánicos, mostró su viabilidad del lodo digerido para ser utilizado como inóculo en codigestiones [7].

El objetivo principal de este trabajo es evaluar el proceso de codigestión del lodo digerido con residuos de frutas y vegetales (Ensayo LD-ROM) como también codigestión de lodos digeridos con lodos espesados (Ensayo LD-LE), a una temperatura de 28 °C, siendo esta una de las más bajas registradas en la Ciudad de Panamá. Esta temperatura es relevante ya que en la mayoría de los países la digestión anaeróbica es llevada a cabo en temperaturas de 35 °C en adelante, esto implica el calentamiento de los digestores y por lo tanto un gasto energético. Con esta investigación buscamos no incurrir en los gastos de calentamiento y potenciar la producción de biogás a través de la codigestion anaeróbica de residuos orgánicos mediante la mezcla de lodos de distintas etapas del proceso dentro de la PTAR. Se realizaron ensayos batch para comprobar el Potencial Bioquímico de Metano (PBM) bajo dos diferentes relaciones Inoculo/Sustrato (I/S). Para conocer la velocidad de crecimiento de las bacterias se utilizó el Modelo Sigmoidal Gompertz Modificado y ecuación de Primer Orden para predecir la tasa de degradación.

2. Materiales y Métodos

2.1. Ubicación experimental

Los ensayos se desarrollaron en el laboratorio de sistemas ambientales del Centro de Investigaciones Hidráulicas e Hidrotécnicas (CIHH) de la Universidad Tecnológica de Panamá en la sede de Tocumen, donde se realizó la preparación de las muestras de residuos orgánicos, ensayos de digestividad y parámetros fisicoquímicos.

2.2. Inóculo y Sustrato

La mezcla de LD-ROM corresponde a la mezcla de Lodo Digerido (LD) como Inóculo con residuos de frutas y vegetales (ROM) como sustrato, el ROM se obtuvo de descartes de un mercado de la República de Panamá. Los residuos utilizados fueron: papa, zanahoria, brócoli, lechuga, melón y tomate, estos se picaron, trituraron, pesaron y almacenaron en bolsas de polipropileno, y fueron conservados a 4°C. Muchos sustratos deben pasar antes por un pretratamiento como la trituración, en donde se recomienda que el tamaño de las partículas sea menor o igual a 1cm, esto con el objetivo que sea más fácil su degradación [8]. Es por tal razón que se llevó a cabo la trituración (Figura 1a) y luego la homogenización de los diferentes residuos (Figura 1b).

Figura 1. Residuos orgánicos muestreados del mercado: a) Trituración de los sustratos; b) Sustratos homogenizados
Fuente: Elaboración propia.

La segunda codigestion LD-LE, se usó como inóculo lodo digerido (LD) y el lodo espesado (LE) como sustrato. Los lodos espesado y digerido fueron obtenidos de la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales (PTAR) de Juan Díaz ubicado en la Ciudad de Panamá. Esta PTAR realiza un tratamiento de tipo biológico con recirculación de lodos, remoción de nutrientes y recuperación de gases, y depura 5.5 m³/s de aguas residuales al día entre los dos módulos de la planta [9].

2.3. Estudios analíticos

En el proceso de inicio y operación de los reactores anaeróbicos es importante el seguimiento de algunos parámetros fisicoquímicos. En estos ensayos se analizaron para el inóculo y sustrato los siguientes: sólidos totales y volátiles, DQO, alcalinidad, pH, alcalinidad, utilizando el Standard Methods[10]. También se les realizó estudios bromatológicos a los residuos de frutas y vegetales.

2.4 Procedimiento experimental del Oxitop

Para evaluar y cuantificar la producción de biogás, se utilizó el Sistema Oxitop® (Figura 2); su medición manométrica registra delta de presiones producidas por la digestión anaeróbica. Este sistema consiste en una botella de vidrio de 250 mL de capacidad que dispone de dos válvulas de control cerradas con tapones de rosca, cuenta con cabezal de medición que se comunica con el controlador OC100 mediante infrarrojo. Adicional cuenta con una plataforma de agitación magnética.

Se realizó ensayo batch para la codigestión de lodos digeridos con residuos orgánicos y lodo espesado como sustrato teniendo una relación I/S 2:1 y 1:1 con respecto a solidos volátiles. Los ensayos se realizaron por triplicados y duplicados de controles se incubaron a 28°C, fueron agitados de forma manual dos veces al día y magnéticamente a 180 rpm. Estos ensayos se desarrollaron durante un periodo de tiempo de 12 días.

2.5 Cálculo del Potencial Bioquímico de Metano

Para determinar el potencial bioquímico de metano se utilizó un método ampliamente utilizado llamado método manométrico en donde se aplicaron las ecuaciones utilizadas por Parra [11] y Ramírez [12] para conocer el volumen de metano en condiciones estándar. El método descrito calcula la presión del gas ejercido en el reactor, esta presión se da por el biogás que se produce en el sistema[13].

2.6 Modelos cinéticos de crecimiento de las bacterias

El uso de estos modelos ayuda a comprender el comportamiento del sistema y la interacción de la cinética en el proceso de digestión anaeróbica permitiendo realizar predicciones del rendimiento de los digestores[14].

En los reactores batch, la acumulación de metano crea una curva sigmoidal en las que se encuentran tres fases: (1) la fase de retardo, (2) fase exponencial y (3) fase asintótica. Cuando se realiza este análisis de cinética de producción de biogás o metano, es importante buscar un modelo cinético que represente la producción de biogás a lo largo del tiempo[15]. Para los reactores anaeróbicos los modelos cinéticos más utilizados están, el modelo de primer orden que estima la acumulación de biogás como un aumento exponencial y la curva de producción de metano sigmoidal conocida como la ecuación de Gompertz modificado[16].

2.6.1 Modelo de primer orden

Este modelo permite establecer la velocidad de degradación del sustrato en la digestión anaerobia, sobre todo en la hidrólisis que es la etapa limitante en el proceso [16, 17]. Igualmente proporciona un medio simple para describir las condiciones del funcionamiento [18]. Para una cinética de primer orden para la hidrólisis de la materia orgánica, la producción de metano acumulado puede ser explicada con la siguiente ecuación [15]:

Donde:
B(t): producción de metano acumulado al día t de digestión (mL/g SV).
B₀: producción de potencial de metano del sustrato (mL/g SV).
k: velocidad de producción de metano (constante de desintegración de primer orden) (días^-1).

2.6.2 Modelo de Gompertz Modificado

Este modelo permite realizar una deducción sobre el comportamiento de las etapas de la digestión anaeróbica, así como también predecir la conducta de la biomasa dentro del reactor en medios ambientales determinados, es capaz de determinar la máxima producción de metano y la fase de latencia[19].

La ecuación de Gompertz se utilizó para conocer el crecimiento de las bacterias en los reactores batch. La (ecuación 2) se expresa de la siguiente manera:

Donde:
y: tamaño de una población (t).
A: valor máximo alcanzado por la población (mL).
μm: velocidad máxima de crecimiento (mL*d^-1).
t: tiempo (días).
λ: fase retardo (días).

3. Resultados y discusión

3.1 Caracterización de Inóculo y Sustrato

Se utilizó como inóculo al lodo digerido, para las codigestiones realizadas. Como Sustrato se usó Lodo Espesado y Residuos Orgánicos Municipales (ROM), ambas mezclas fueron ensayadas por separado. En la Tabla 1 y 2, se muestran los valores fisicoquímicos de lodos digerido y espesado.

Tabla 1.Caracterización fisicoquímica de Lodo Digerido

Fuente: Propia

El pH del inóculo fue de 6.78, el cual mostró estar fuera del rango de los valores indicados para lodos provenientes de plantas de tratamiento de aguas residuales como lo recomienda Raposo[24], Parra [23] y Díaz & García[26] donde debe estar de una rango de 7-8.5. Dependiendo de la diversidad de bacterias que se tengan el rango óptimo de pH puede variar, por lo que para bacterias acidogenicas el rango de pH optimo puede estar por debajo de 7 (Neutro).

Por otra parte, podemos observar en la tabla 2 la caracterización del lodo espesado como sustrato.

Tabla 2. Caracterización fisicoquímica de Lodo Espesado

Fuente: Propia

Los valores de C/N, donde para el LD es 3.61 y 5.26 para LE, resultan ser valores muy bajos, lo cual es común en los lodos; Sin embargo, suelen estar entre 6 y 9 [30]. Esto muestra una escasez de carbono, lo cual puede mejorar añadiendo residuos orgánicos. El porcentaje de Carbono en los LE (2.00 %) fueron ligeramente más altos que los del LD (1.70 %), debido a la presencia de mayor biomasa bacteriana.

En la Tabla 3 se presentan las características bromatológicas del ROM. Los cuales fueron analizados por el Instituto de Innovación Agropecuaria de Panamá (IDIAP).

Tabla 3. Análisis bromatológicos de residuos orgánicos municipales.

Fuente: Propia

De acuerdo con los resultados expuestos en Tabla 2, el Nitrógeno es mayor en los vegetales con 2.10% que en las frutas con 0.67%, estos valores son comparables a los que arrojan Parra [23] con 1.70% y Díaz & García [26] con 1.76%.

El contenido de proteína 3.39% y 12.6% de frutas y vegetales respectivamente, presenta valores inferiores a los reportados comúnmente en otras bibliografías que va desde 13.1 a 27.17%[24], para el resultado dado para proteínas de la trituración de vegetales fue más cercano al reportado, mientras que el de frutas ha demostrado tener un valor más bajo. Cabe notar que el contenido de proteínas está comúnmente relacionado con el nitrógeno, ya que casi todo el nitrógeno que se encuentra en el sustrato está presente en forma de proteína, las cuales muestran un alto potencial de metano[24].

La materia orgánica está constituida por celulosa, hemicelulosa y lignina en donde estas proceden de los restos de vegetales[38], por tal razón los resultados que arrojan la lignina y la celulosa en cuanto a la muestra de vegetales (7% y 18.2% respectivamente) son mayores a comparación con la muestra de frutas. Estos resultados obtenidos son mayores a los reportados por Díaz & García [26] con 2.20% de lignina y 1,67% de celulosa y Parra [23] con 1,20% de lignina y 1,47% de celulosa.

Las características fisicoquímicas del ROM se muestran en la Tabla 3.

Tabla 3. Características fisicoquímicas de Residuos Orgánicos Municipales

Fuente: Propia

El pH obtenido para los residuos orgánicos municipales fue de 5.25, lo que indica un estado ácido que promueve las baterías acidogénicas y que puede ser inhibitorio en las etapas tempranas de la codigestión. Según lo reportado por Nakasima-Lopez et al [28], valores de pH entre 3.51 y 4.20 son los habituales en este tipo de sustratos de mezcla de frutas y vegetales.

Sin embargo, en el estudio realizado por Kesharwani [29] y Guerrero[30], los sólidos volátiles tienen un porcentaje cercano a los que arroja este estudio, esto indica que los residuos orgánicos tienen gran contenido de materia orgánica, lo que lleva a tener una buena digestibilidad, a su vez, por estar compuesto por proteínas, almidones, azúcares y grasas colaboran con este proceso[31].

3.2 Caracterización Fisicoquímica de Codigestiones:

En la Tabla 5, se presenta el análisis de los parámetros fisicoquímicos realizados a la mezcla de lodos digeridos y lodos espesados en proporciones 1:1 y 2:1.

Tabla 5. Parámetros fisicoquímicos de las relaciones I/S de LD-LE.

Fuente: Propia

El pH en los reactores del ensayo se ajustó al rango óptimo, aproximadamente, agregándole carbonato de sodio para estabilizar el proceso y no llegar a acidificarse como lo utilizaron Abdulkarim [36] y Raposo [24] en su investigación.

El resultado de la relación (C/N) de la Codigestión LD/LE en la proporción 1:1 es de 5.86 y 2:1 es de 6.12. Se observa que el resultado está de acuerdo con lo expresado en la literatura, donde se menciona que la relación (C/N) de los lodos, tienen un rango de 6 a 9 [20,31]. Sin embargo, al tener menor presencia de carbono, los rendimientos en este tipo de codigestión pueden verse limitados al agotarse en etapas tempranas de la metagenización.

En la Tabla 6, se presenta el análisis de los parámetros fisicoquímicos realizados a la mezcla de lodos digeridos y residuos orgánicos municipales (ROM) en proporciones 1:1 y 2:1.

Tabla 6. Parámetros fisicoquímicos de las relaciones I/S de LD-ROM.

Fuente: Propia

El rango óptimo para la alcalinidad recomendada es de 1000 a 5000 mg/L CaCO₃[35]. En este sentido, los reactores de relaciones 1:1 dieron valores promedio de 5,020 cercano al rango superior mencionado. Por otra parte, la relación 2:1 presento alcalinidad de 4,975 esta se encuentra dentro del rango de valores conocidos como óptimos.

Los datos de nitrógeno y carbono tienen consistencia con los ensayos que realizó Guerrero [39] y los resultados de Nielfa [40], ya que nuestros resultados se acercan a los de ellos, quienes realizaron codigestión de residuos orgánicos municipales y lodos biológicos.

Los residuos orgánicos tienden a tener una mayor relación de C/N a comparación con los lodos de PTAR. Esto se debe a que los residuos orgánicos tienen mayor materia orgánica, lo cual es ventajoso al momento de realizar la codigestión de lodos y residuos orgánicos.

Los valores de la relación C/N están entre el rango de 6 a 15.4 según lo reporta Sosnowski[41], Guerrero [39] y Schnürer[42]. La relación I/S 1:1 está por dentro del rango con 6.77, mientras que la relación 2:1 está por debajo del rango óptimo con 5.48. Los datos que arrojó este ensayo tuvieron un aproximado con el estudio de Guerrero [39] que reportó una relación C/N de 9.35 y los análisis de Morales [43] reportan una relación C/N de 8.35.

El buen rendimiento en este ensayo se debe también a los AGV que se encontraron por debajo de la concentración de 1500 mg/L en el que genera efectos inhibitorios [43,44], esto indica que en ninguna de las relaciones I/S hubo acumulación de AGV y el pH se mantuvo dentro del rango, ambos factores son característicos de rápida acidificación[36].

3.3 Potencial Bioquímico de Metano (PBM)

Los valores experimentales de la producción de metano para el día 10 en la relación 1:1 y 2:1 alcanzaron una producción de metano de 121.71 mLCH4/g SV y 154.84 mLCH₄/g SV (ver figura 3). Estos valores resultaron estar cercanos a los indicados en literatura, donde con una temperatura mayor y en un tiempo de retención hidráulica mayor a las de estos ensayos obtuvieron valores entre 140 - 210 mL CH₄/g SV [45, 46].

Figura 3. PBM COD LD-LE.
Fuente: Propia.

En la Figura 3, se puede observar una tendencia a la estabilización a partir del día 7 y para la relación 2:1 a partir del día 9, podemos inferir que la relación 2:1 al tener más biomasa como inoculo, tiene un mejor aprovechamiento del material orgánico disponible mediante el sustrato. Se debe mencionar al usar Lodo espesado como sustrato, el carbono biodisponible es limitado [30]. Se puede observar en la Tabla 7, el PBM teórico para las dos relaciones resulto ser mayor que el registrado experimentalmente. Se puede notar que para la relación 2:1, el margen de diferencia entre experimental y teórico fue mayor, esto se puede deber a que el cálculo teórico toma en cuenta todo lo generado como metano, sin embargo, se conoce que en el desarrollo experimental hay otros gases subproductos que tienen parte en la digestión anaeróbica [22].

Tabla 7. PBM Experimental y Teórico de COD LD-LE

Fuente: Propia

Observando la Figura 4, para la codigestión LD-ROM se obtuvieron valores de 294.92 mL CH₄/g SV y 296.58 mLCH₄/g SV para las relaciones 1:1 y 2:1 respectivamente. Esta se desarrolló a una temperatura de 28°C durante tiempo de retención hidráulico de 10 días aproximadamente. Los resultados más favorables fueron los de la relación 2:1. Los valores obtenidos se encuentran dentro del rango de rendimiento de CH₄ de residuos de frutas y hortalizas que va desde 220 – 551 mL CH₄/g SV [41].

Figura 4. PBM COD LD-ROM
Fuente: Propia.

Los resultados positivos que arrojó este ensayo pueden deberse a los residuos orgánicos son sustratos con presencia de materia orgánica que se degradan más fácil[47], también el inóculo usado paso por un proceso de aclimatación lo cual ayudó a que se adaptara al medio, beneficiando a que la fase de retardo fuera cero [48].

Estos resultados nos permiten corroborar que la mezcla de residuos orgánicos con lodos de la PTAR causa un incremento en la producción de metano. Diferentes literaturas mencionan que en las temperaturas mesófilas hay más variedad de microbios que pudieron beneficiar la degradación de las fuentes de carbono, siendo favorables para el proceso [25, 49]. En la misma figura se puede observar que a medida que se incrementa la carga orgánica en los lodos el PBM tiene un leve aumento como lo es en la relación I/S 2:1. Al igual que el proceso comienza a estabilizarse después del día 8, cercanos a los reportados por Nielfa [51] las cuales sus ensayos de codigestión comenzaron a estabilizarse a partir del día 15, otra investigación es la de Parra [18] donde demuestra que la fase de estabilización también comienza cerca del día 15 a 16 para las siete relaciones sustrato/inóculo que realizaron.

En ocasiones los rangos de los resultados van a variar ya que cada investigación utiliza sustratos e inóculos de diferentes fuentes, otras relaciones inóculo/sustrato y varían los volúmenes de reactores entre otros factores. El PBM Teórico LD-ROM para la relación 1:1 fue más bajo que la experimental con 216.17 mL CH₄/g SV, mientras que en la relación 2:1 fue mayor con 315.47 mL CH₄/g SV (Tabla 8). Según Achinas [52] es poco probable que los resultados coincidan con los datos a escala experimental, ya que en la práctica ninguna reacción se completa del todo y no se tiene el 100% de descomposición de los materiales celulósicos. La ecuación predice escenarios ideales que no se llevan a cabo a escala real.

Al igual Baquerizo[53] indica que los residuos orgánicos y desperdicios de cultivos, al contener “fracciones puras” con diversos sustratos de naturaleza mezclada hacen que los datos teóricos y experimentales sean diferentes debido a la sinergia de estos.

Tabla 8. PBM Experimental y Teórico de COD LD-ROM

Fuente: Propia

3.4 Análisis Cinético de Codigestión LD-LE:

Como se observa en la Figura 5., este modelo tiene un comportamiento diferente entre las relaciones, ya que el R_max de la relación 2:1 es de 33.87 (mL CH₄/g SV) /día, se puede observar que la mayor velocidad de la producción de metano es de la relación 1:1 con 12.94 (mL CH₄/g SV) /día, esto es congruente con las gráficas de PBM presentadas donde la relación 1:1 donde su crecimiento fue más ralentizado y con menor pendiente que la relación 2:1.

Figura 5. Análisis cinético Gompertz Modificado a) I/S 1:1 b) I/S 2:1
Fuente: Propia.

En cuanto la duración de la fase de letargo (λ) representa el tiempo que tardan los metanógenos en adaptarse a un sustrato antes de producir metano, la relación 1:1 y 2:1 es de 0 días, este valor significa un menor tiempo de aclimatación para la producción de metano, en este caso indica que la codigestión con inóculo aclimatado por su actividad previa de digestión es positivo para la actividad metanogénica.

Por otra parte, el parámetro de Go, nos indica la producción máxima de metano alcanzado, el que presenta mayor ajuste al modelo matemático Gompertz es la relación 2:1, con una Go de 151.05 mL CH₄/g SV y donde el resultado experimental es de 154.84 ml CH₄/g SV. Estos resultados se observan cercanos el uno del otro, lo cual indica que la codigestión estuvo muy cerca de su valor de estabilización y asimismo indica que los resultados de los ensayos de laboratorio se adaptan mejor al modelo Gompertz modificado. Por otro lado, se puede mencionar de la relación 1:1 la Go es de 288.61 mL CH₄/g SV y el resultado experimental es de121.71 mL CH₄/g SV, la cual, no hubo similitud entre el valor experimental y el ajuste de Gompertz Modificado.

Mediante la ecuación de Primer Orden utilizada para el cálculo de la constante de hidrolisis Kh, se obtuvieron los valores para la relación 1:1 y 2:1 de 0.19 y 0.35 días^-1 respectivamente. Los valores registrados para la relación 2:1 son parecido a los reportados por Keucken [59] donde para una codigestión de lodos mixtos obtuvo 0.34 días^-1.

3.5. Análisis cinéticos de Codigestión LD-ROM:

En este ensayo se emplearon modelos cinéticos donde se analizaron tres aspectos: velocidad de crecimientos de los microorganismos, tasa de crecimiento y comportamientos de los microorganismos con relación al sustrato, estos modelos fueron Gompertz Modificado y Primer orden.

Las relaciones I/S arrojan un comportamiento similar en cuanto al análisis del Gompertz Modificado, siendo la R_max de la relación 1:1 de 55.57 mL CH₄/g SV/día con el resultado más favorable en la velocidad de producción de metano mientras que la relación 2:1 fue de 46.53 mL CH₄/g SV/día, los datos mencionados de R_max son altos comparados con el ensayo de Díaz [48] y Córdoba [17] que su R_max para la fracción orgánica de residuos fue de 31.99 mL CH₄/g SV para la relación 1:1, mientras que el estudio de González y otros [54] cuya R_max para relación 1:1 fue de 48.38, 52.67 y 46.71 mL CH₄/g SV teniendo consistencia con los datos de este ensayo y para la relación 2:1 fue 104.26, 123.68 y 128.45 mL CH₄/g SV siendo más altas que las registradas para la relación 2:1.

En la Figura 6, se presentarán los ajustes experimentales y la predicción de los análisis cinéticos de la relación I/S 1:1 y 2:1 para codigestion de lodos digeridos y residuos orgánicos municipales.

Figura 6. Ajuste de análisis cinéticos de la: a) I/S 1:1; b) I/S 2:1
Fuente: Propia.

Con esta codigestión de LD-ROM se corrobora lo obtenido en la codigestión de lodos orgánicos LD-LE, donde el inóculo aclimatado tuvo un efecto positivo en los tiempos de letargo, mostrando una aclimatación inmediata. Las λ resultantes fueron para la relación 1:1 de 0 días y relación 2:1 de 0.10 días. Esto a su vez es congruente con lo registrado en codigestión de lodos orgánicos con lodos aclimatados a 25°C y que mostraron tiempos de letargo de 0.13 días [60].

En cuanto a la ecuación de Primer Orden en la Kh (constante de hidrólisis) fue de 0.31 días^-1 para la relación I/S 1:1 y 0.25 días^-1 para la relación I/S 2:1 que concuerdan con la codigestión de Nielfa y otros[42]. La data obtenida en este estudio fue más alta en comparación con los valores de 0.016 – 0.125 días^-1 reportados por Gunaseelan [55] quien utilizó frutas y vegetales como sustrato.

Si bien hubo un ligero incremento en la tasa de hidrólisis en los tratamientos conforme se aumentó el volumen de residuos orgánicos en la relación I/S 1:1 como también al nivel de lodo que tiene la codigestión del ensayo ya descrito. Las constantes de hidrólisis de las relaciones I/S se encuentran dentro del rango de sustratos ricos en proteínas (0.25 – 0.8) y lípidos (0.1 – 0.7) combinado con lodos[55]. A través de esta ecuación todo parece indicar que existió una buena degradación de los sustratos.

Según el ensayo de Vavilin y otros[57], lo reportado por Kayhanian [58] y Aldin [56] la reducción del tamaño de las partículas acelera el proceso de la digestión anaeróbica, indica que la tasa de producción de metano es proporcional al tamaño de la partícula de la materia prima, es decir, el crecimiento tan rápido en pocos días, puede deberse a que en la codigestión se utilizaron sustratos que fueron cortados en partículas pequeñas y licuados, lo que resultó ser positivo para los microorganismos, obteniendo un crecimiento exponencial rápido, una mejor digestibilidad y así mejor producción de metano.

4. Conclusiones

• El ensayo potencial bioquímico de metano demuestra que la codigestión anaerobia de Lodos Espesados y Lodos Digeridos en comparación con la monodigestión de estos lodos, es una gran opción ya que aumenta la producción de metano en menor tiempo de retención hidráulico.

• La caracterización de los parámetros de los lodos orgánicos, demostraron que tienen las condiciones fisicoquímicas para el proceso de digestión y producción de metano.

• Al realizar los análisis fisicoquímicos de frutas y vegetales como sustratos, estos indican que existe un alto grado de biodegradabilidad, como también un alto contenido de materia orgánica, son una fuente importante para llevar a cabo su aprovechamiento a través de la digestión anaeróbica.

• Los valores obtenidos en los resultados de los ensayos han demostrado que la codigestión de lodos y residuos orgánicos LD-ROM, los residuos son ricos en carbohidratos y proteínas son los apropiados para utilizarlos como sustrato en el proceso, ya que han influido de manera positiva en la codigestión. Al observarse valores más elevados de producción de metano en menor tiempo comparado con la codigestión de lodos orgánicos LD-LE.

• La relación 2:1 fue la proporción que mejores resultados mostró en ambas codigestiones, lo que nos permite conocer que existe mejor adaptación inoculo sustrato con esta relación.

• El uso de un lodo aclimatado con una digestión previo, como lo es el lodo digerido permitió un rápido crecimiento y desarrollo de la actividad metanogénica, lo que resultó en menores tiempo de retención.

AGRADECIMIENTOS

A SENACYT, por brindarnos el apoyo económico para el desarrollo de esta investigación mediante el Proyecto IDDSE19-008 “Codigestión anaeróbica de biosólidos de aguas residuales y desechos orgánicos municipales como alternativa energética sostenible”. Al CEMCIT-AIP, por la administración de los fondos para esta investigación. Agradecemos a la Universidad Tecnológica de Panamá y al Centro de Investigaciones Hidráulica e Hidrotécnicas por brindarnos las instalaciones para el desarrollo de esta investigación, como también al Programa Saneamiento de la Bahía de Panamá por las muestras de lodos. Agradecemos al IDIAP por prestarnos sus servicios de laboratorios y facilitarnos los resultados de análisis bromatológicos de las muestras de los sustratos.

CONFLICTO DE INTERESES

Los autores declaran no tener algún conflicto de interés.

CONTRIBUCIÓN Y APROBACIÓN DE LOS AUTORES

M.R: Experimentación en ensayos de Codigestión, preparación y corrección de artículo; E.D: Conceptualización de artículo, experimentación y corrección de artículo.; L.L: experimentación en ensayos de codigestión de residuos orgánicos municipales y preparación de artículo; N.P: experimentación en ensayos de codigestión de residuos orgánicos municipales y preparación de artículo; J.A: experimentación en ensayos de codigestión de lodos orgánicos y preparación de artículo; A.C: experimentación en ensayos de codigestión de lodos orgánicos y preparación de artículo .

Todos los autores afirmamos que se leyó y aprobó la versión final de este artículo.

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