Bioconversión de residuos sólidos para la obtención de energía (metano y electricidad) utilizando digestores anaerobios y celdas de combustible microbianas

Abstract

Cada año se generan en México aproximadamente 40 millones de toneladas de residuos, de las cuales, 35.3 millones corresponden a residuos sólidos urbanos (RSU). En el DF se generan aproximadamente 5,271 toneladas al día de Residuos Sólidos Orgánicos Putrescibles (ReSOP) los cuales son aprovechables para llevar a cabo tratamientos biológicos y obtener productos de valor agregado. Con el fin de maximizar los beneficios obtenidos de la biodegradación de los ReSOP, es posible montar un proceso sinérgico en el que se aprovechen algunos de los compuestos que resultan de una fermentación anaerobia, es decir, los lixiviados de residuos sólidos que son ricos en ácidos orgánicos, como el ácido acético. Este último puede ser diluido y utilizado como única fuente de carbono por bacterias como Geobacter sulfurreducens capaces de generar energía eléctrica en una Celda de Combustible Microbiana (CCM). En este trabajo se evaluó la generación de biogás usando 3 reactores anaerobios, dos de ellos (R1 y R2) alimentados con diversos ReSOP (9 g/L/d) y el tercero (R3) con residuos de plátano (9 g/L/d). Se evaluó el desempeño de 3 configuraciones de CCMs y dos ánodos con y sin recubrimiento de polianiliana (PAni). Se evaluó la actividad metanogénica específica (AME) a temperatura ambiente de consorcios anaerobios sobre los principales ReSOP generados en el D.F. obteniéndose valores de 0.011 hasta 0.038 mmol CH4/gSV/h, mientras que para los reactores se obtuvieron valores de 0.001-0.806 mmol CH4/gSV/h para R1 y R2, y de 0.035-0.136 mmol CH4/gSV/h para R3. Se determinó la producción diaria de biogás (mL, desplazamiento de líquido) obteniendo un promedio de 497.44 mL para R1, 477.30mL para R2 y 520.15 mL para R3. Se cuantificaron los ácidos orgánicos (acético, propiónico, butírico, succínico y láctico en este caso) obteniendose un máximo de 7.36 g/L de ácido acético en R3 y un mínimo de 0.58 g/L de ácido láctico en R1. Se evaluó el rendimiento de metano en base Nitrógeno Kjeldahl Total (NTK) obteniendose un rendimiento máximo de 1.281 mmol CH4/g NKT/h en R2. Finalmente, en las CCMs se alimentó un cultivo puro de Geobacter sulfurreducens con una solución 20 mM de acetato de sodio, el cual fue consumido de 48-72 h, el diseño que presentó la densidad de potencia máxima fue el que incluyó el ánodo de grafito recubierto de PAni(52624 mW/m2).

Every year in Mexico it is generated about 40 million tonnes of waste, 35.3 million are solid waste (MSW). The city generates about 5,271 tonnes of Putrescible Organic Solid Waste (POSW) which are usable for carrying out biological treatment from which it is possible to obtain value added products. In order to maximize the benefits from the biodegradation of POSW, it is possible to assemble a synergistic process in which it is used some of the compounds resulting from anaerobic fermentation could be used, ie solid waste leachates that are rich in organic acids concentrated and biodegradable, such as acetic acid. The latter can be diluted and used as the sole carbon source for bacteria as Geobacter sulfurreducens who can generate electricity in a microbial fuel cell (MFC). In this work, the generation of biogas using 3 anaerobic reactors, 2 of them (R1 and R2) fed with different POSW (9 g/L/d) and the third one (R3) with banana residue (9 g/L/d). Performance was also assessed three MFCs and two configurations of anode, with and without polianiliana (PAni). We evaluated the specific methanogenic activity (SMA) at room temperature of the main POSW generated in the city producing values of 0.11 to 0.038 mmol CH4/gSV/h, whereas the values for the reactors ranged 0.001-0.806 mmol CH4/gSV/h for R1 and R2, and 0.035-0.136 mmol CH4/gSV/h for R3. The biogas production (mL, liquid displacement) was determined daily obtaining an average of 497.44 mL for R1, R2 and 477.3 mL to 520.15 mL to R3. The organic acids were quantified (acetic, propionic, butyric, succinic and lactic acid in this case) using HPLC obtaining a maximum of 7.36 g/L of acetic acid in R3 and a minimum of 0.58 g/L of lactic acid in R1. The methane production was evaluated in based Total Kjeldahl Nitrogen (TKN) obtaining a maximum yield of 1,281 mmol CH4/g NKT/h inR2. Finally, in the MFCs was fed with a pure culture of Geobacter sulfurreducens with a 20 mM solution of sodium acetate which was consumed in 48-72 h, the best configuration obtained a peak power density of 52,624 mW/m2 using an anode of graphite covered with PAni.