Fundamentos y aplicaciones de la digestión anaerobia para el tratamiento y aprovechamiento de sustratos orgánicos

La creciente demanda energética y el agotamiento de fuentes convencionales de energía estimulan la búsqueda de fuentes renovables de energía. La aplicación de la digestión anaerobia a partir de sustratos orgánicos presenta un creciente interés tanto por su potencial de producir energía renovable como por la producción de biosólidos o digestatos de alto potencial de aprovechamiento agrícola. Igualmente, esta tecnología se articula a estrategias de producción limpia, biorrefinería, y bioeconomía circular y sostenible, que permiten concebir los residuos como potenciales materias primas para diversas aplicaciones, incluso biotecnológicas, de tal manera que aporten a la protección del ambiente y a la reducción de los residuos dispuestos.

Este libro pretende sistematizar, en un lenguaje simple y en ocho capítulos, la fundamentación del proceso y la experiencia del trabajo académico e investigativo (docencia, formación de estudiantes, investigación) realizado durante más de treinta años en el campo de la digestión anaerobia de diferentes tipos de sustratos orgánicos (aguas residuales y residuos sólidos municipales, industriales y agroindustriales; así como cultivos energéticos). Presenta estrategias de mejoramiento con miras a optimizar y ampliar la aplicación del proceso, y muestra cómo la valorización de residuos por caminos más sostenibles, como la digestión anaerobia, representa un gran aporte al cumplimiento de los objetivos de desarrollo sostenible (ODS) desde las perspectivas social, económica y ambiental. Se espera que contribuya a todos los interesa interesados en la digestión anaerobia.

CONTENIDO

INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . .13

CAPÍTULO 1

ANTECEDENTES DEL PROCESO DE DIGESTIÓN ANAEROBIA

Introducción . . . . . . . . . . . . . . 17

Características generales de los procesos biológicos aerobio y anaerobio . . . . . . . . . . . . . 18

Formas y ecosistemas de ocurrencia del proceso de digestión anaerobia . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

Principales precedentes históricos de la digestión anaerobia y el biogás . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

Evolución desde el punto de vista de la generación de reactores . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

CAPÍTULO 2

FUNDAMENTOS DEL PROCESO DE DIGESTIÓN ANAEROBIA

Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

Aspectos generales del proceso . . . . . . . . . . . . . . . . 35

Desbalance del proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

Aspectos cinéticos del proceso de digestión anaerobia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

Factores y variables que influyen sobre el proceso de digestión anaerobia . . . . . . . . . . . . . . 51

CAPÍTULO 3

FACTORES AMBIENTALES Y DEL SUSTRATO

Introducción . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

Temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

Composición orgánica del sustrato . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

pH, alcalinidad (total y bicarbonática) y ácidos grasos volátiles (AGV) . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

Ácidos grasos volátiles (AGV) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

Indicadores para el control de la estabilidad del proceso  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  67

Potencial de óxido-reducción/potencial redox  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

Nutrientes  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

Macronutrientes  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

Micronutrientes  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

CAPÍTULO 4

INHIBICIÓN Y TOXICIDAD

Introducción  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

Generalidades  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

Factores y variables que afectan la inhibición o toxicidad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

Sustancias o compuestos causantes de inhibición y toxicidad  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

Evaluación de la inhibición o toxicidad  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

Métodos para la determinación de la inhibición-toxicidad anaerobia  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

CAPÍTULO 5

EL INÓCULO

Introducción  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

Procedencia del inóculo  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

Formas de crecimiento del inóculo  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  90

Granulación  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

Sedimentabilidad  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  94

Actividades metabólicas  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

Producción teórica y experimental de metano (PBM)  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

CAPÍTULO 6

REACTOR-DIGESTOR

Introducción  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

Variables asociadas al diseño, la operación y el desempeño de reactores anaerobios  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

Clasificación de reactores  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

Configuración de reactores  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  126

Postratamiento en la digestión anaerobia  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

CAPÍTULO 7

ESTRATEGIAS PARA EL MEJORAMIENTO DEL PROCESO DE DIGESTIÓN ANAEROBIA

Introducción  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

Estrategias asociadas a características ambientales y del sustrato  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172

Estrategias asociadas al inóculo  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

Estrategias asociadas al reactor (aspectos de configuración y operacionales) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

CAPÍTULO 8

PERSPECTIVAS DE LA DIGESTIÓN ANAEROBIA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187

REFERENCIAS   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  205