Figura 1. Procesos anaerobios para valorización industrial (a) o agrícola (b) de FORSU.
El objetivo general es recuperar recursos de la fracción orgánica de residuos sólidos urbanos con valor agregado
para industria (etanol y metano) o agricultura (nitrógeno o mejorador de suelos) mediante procesos anaerobios
Metodología
La FORSU fue colectada de muestras aleatorias en la estación de transferencia Coyoacán, Cd. de México, con metodologías NMX-AA-15-1985, y NMX-AA-19-1985. Las muestras se conservaron a -21° C en el Laboratorio de Ingeniería Ambiental (LIA), y el método de preparación fue de acuerdo a Castellón-Zelaya y González-Martínez (2021) (Figura 2).
Figura 2. FORSU: a) cuarteo en sitio, b) empaquetado a -20°C, c) muestra extrudida
El experimento para etanol y metano a partir de FORSU se realizó en frascos de 2L, con salida de biogás a 35°C, sin control de pH por 72 horas (Mosquera-Toscano et al., 2023) (Figura 3-a). Con las tres concentraciones de sólidos totales (10, 20 y 29.2 % ST), cada una a tres concentraciones de levadura comercial S.
cerevisiae (6, 12 y 24 g/kgFORSU). De la fermentación, la fracción líquida fue para separar metabolitos; y la fracción sólida, para abastecer prueba de potencial bioquímico de metano (PBM) (Figura 3-b).
Figura 3. Fermentación (a) y prueba PBM (b) (Mosquera-Toscano et al., 2023)
En el experimento de residuo digerido para biofertilizante se usó muestra de suelo franco-arenoso colectada en parcela ubicada al pie de Sierra de Xochitepec, CDMX; el digestato se obtuvo en un reactor semicontinuo a 35°C donde el residuo digerido se clasificó en fracciones sólida y líquida (95 y 5 % ST) (Figura 4 a, b, c y d); y las incubaciones de referencia fueron: suelo, suelo-composta, suelo-FORSU; y de evaluación: suelo-residuo digerido, suelo-fracción líquida digerida y suelo-fracción sólida digerida; las proporciones como masa fresca promediaron 676 g: 152 g a 20° C y 20 a 35 % de humedad (Figura 5).
Figura 4. Experimento biofertilizante: a) suelo, b) reactor digerido C) sólido, y d) líquido
Figura 5. Incubaciones en suelo para evaluación del nitrógeno.
Las capacidades de retención de humedad y formación de agregados se determinaron
con métodos de Yu et al. (2013) y Kaurichev (1984), respectivamente
El experimento para mejoramiento de suelo arenoso consistió en: trituración de FORSU; digestión anaerobia para obtención de residuo digerido; mezclas suelo-residuo digerido (a 500g de arena de sílice se añadieron 5.3, 15, 27 y 70 g de residuo digerido espesado) (Figuras 6 a, b, c y d) (Tampio
et al., 2016); correspondientes a relaciones residuo digerido/suelo (masa/masa) de 1.06, 3, 5.4 y 14 %.
Figura 6. Experimento para mejoramiento de suelo:
a) FORSU triturada; b) reactor: c) residuo digerido; d) componentes de arena y sustratos para incubaciones
Resultados
El experimento de digestión anaerobia se realizó en dos etapas para selectividad de etanol y metanización, el cambio más significativo en la etapa de fermentación heteroláctica fue para 20 % ST que, de predominar ácido láctico en fermentación sin levaduras (0.70 gDQOeq-láctico/gDQOeq-Σmetabolitos) es desplazado por etanol (0.62 gDQOeq-etanol/gDQOeq-Σmetabolitos), al inocular 24 gS. cerevisiae/kgFORSU se obtienen 38.9 getanol/L. Además, al espesar el residuo digerido, el potencial bioquímico de metano fue 318 NL - CH4/kgFORSU, 4 % menor que el PBM de la FORSU.El experimento de residuo digerido e incubado en suelo para evaluar especies de nitrógeno tuvo una duración de 60 días. En incubaciones de referencia: a) suelo-FORSU, se cuantificaron amonificación (14 %) y pérdida de nitrógeno orgánico (6 %) que se atribuyen a actividad de bacterias hidrolíticas y posible volatilización como amoníaco; b) suelo-composta, la nitrificación (19 %) y pérdida mínima (1 %) indican presencia y rápida actividad de bacterias nitrificantes.En incubaciones de residuos digeridos: a) suelo-residuo completo, finalizó con alta pérdida de nitrógeno (30 %), de donde dos tercios es debido a la pérdida del nitrógeno amoniacal, manteniendo una tercera parte al producir nitratos; b) suelo-fracción sólida digerida, el comportamiento es similar a residuo anterior, pero finaliza con mayor pérdida (45 %); y c) suelo-fracción líquida digerida, se mantiene el comportamiento, sólo que la pérdida disminuye 20 % al lograr mayor índice de nitrificación (27 %). Al igual que en el presente trabajo De la Fuente
et al. (2013) destacan una gran pérdida inicial de nitrógeno que atribuyen a una rápida inmovilización por crecimiento de microorganismos, volatilización de amoníaco y posible desnitrificación.En el experimento de mejoramiento de un suelo arenoso, para los ensayos 1, 2, 3 y 4 de residuos-digeridos espesados (5.3, 15, 27 y 70 g) incubados en 500 g de arena: a) los agregados entre 0.25 y 10 mm, que resistieron la prueba de tamizado en seco, aumentaron de 42, a 54, a 62 y a 76 % (masa/masa), que de acuerdo a la prueba de Kaurichev el estado estructural mejoró de malo, a bueno, a satisfactorio y a bueno, respectivamente. La mejora del suelo se comporta como los contenidos correspondientes de materia orgánica (2.0, 2.3, 3.0 y 7.7 gCOT/ kgST). También, destacan los aumentos en la capacidad de retención de humedad de 35, a 46, a 47 y a 47 %, respectivamente; mientras que para arena fue de 25 %.
Conclusiones
La digestión anaerobia en dos etapas, donde hay fermentación previa que se bioaumenta con levadura comercial, permite obtener etanol en la primera etapa; la digestión anaerobia de la fracción sólida de la fermentación permite igualar o incrementar el potencial bioquímico de metano, en comparación al que se obtiene a partir de FORSU.Después de la digestión anaerobia de FORSU, la incubación en suelo del residuo líquido digerido conservó más nitrógeno, útil para cultivos, que las mezclas del residuo completo o la fracción sólida digerida, atribuible a una menor concentración de bacterias con capacidades de amonificar o desnitrificar.La aportación de materia orgánica con las características del residuo, espesado, de digestión anaerobia de FORSU permitió mejorar en un suelo arenoso las capacidades de retención de humedad y de agregación.El trabajo experimental fue realizado en el Laboratorio de Ingeniería Ambiental (LIA) del Instituto de Ingeniería de la UNAM con certificado de conformidad otorgado por el organismo acreditado Certificación Mexicana, S. C.
Créditos
Óscar González Barceló redactó el documento; el trabajo es producto de las tesis de maestría PMyDI(Ambiental)-UNAM de Hamilton Mosquera Toscano, Jazmín Chávez Martínez, Diego Abonza Sotres; y Simón González Martínez quien es el asesor de los temas y jefe de los proyectos PAPIIT y CONAHCYT que aportaron los recursos para la investigación.
Referencias
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