Evaluación del impacto odorífero y seguimiento del proceso de compostaje de distintas materias primas

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MASantos    En este artículo se presentan diversos resultados relacionados con el impacto oloroso en plantas de tratamiento y gestión de residuos orgánicos realizados por el grupo de investigación. Se han seleccionado distintas materias primas residuales para evaluar su impacto oloroso y la relación con su caracterización físico-química o las variables de operación. La evaluación estadística mediante el Análisis de Componentes Principales (ACP) agrupa el olor por su origen o materia prima.

  También el análisis ha permitido relacionar el olor con las variables de operación, siendo la tasa de emisión (OER, ouE/s) y el índice respirométrico dinámico (DRI, mgO2/gSV·h) las variables más influyentes en la varianza de la muestra. La tecnología NIR ha sido una herramienta útil para diferenciar la composición química de los sustratos.

M. Toledo, M.C. Gutiérrez*, A.F. Chica, J.A. Siles y M.A. Martín

Universidad de Córdoba. Facultad de Ciencias. Departamento de Química Inorgánica e Ingeniería Química (Área de Ingeniería Química). Campus Universitario de Rabanales. Carretera N-IV, km 396, Edificio Marie Curie, 14071 Córdoba, España. *

    Conflictos de interés: El autor declara que no existe conflicto de intereses.

   Editor académico: Carlos N Díaz.

   Calidad del contenido: Este artículo científico ha sido revisado por al menos dos revisores. Vea el comité científico aquí

   Cita: M. Toledo, M.C. Gutiérrez, A.F. Chica, J.A. Siles y M.A. Martín, 2017, Evaluación del impacto odorífero y seguimiento del proceso de compostaje de distintas materias primas, IV Conferencia Internacional sobres gestión de Olores y COVs en el Medio Ambiente, Valladolid, España, www.olores.org

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   ISBN: 978-84-697-7359-8

   Palabras clave:  respirometría dinámica; olfatometría dinámica; tasa de emisión; análisis quimiométrico; espectroscopía NIR; modelo de dispersión.

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Resumen

   De los trabajos realizados por el grupo de investigación se han seleccionado diversos resultados relacionados con el impacto oloroso en plantas de tratamiento y gestión de residuos orgánicos. Se han seleccionado distintas materias primas residuales para evaluar su impacto oloroso y la relación con su caracterización físico-química o las variables de operación. La evaluación estadística mediante el Análisis de Componentes Principales (ACP) agrupa el olor por su origen o materia prima.

   También el análisis ha permitido relacionar el olor con las variables de operación, siendo la tasa de emisión (OER, ouE/s) y el índice respirométrico dinámico (DRI, mgO2/gSV·h) las variables más influyentes en la varianza de la muestra. La tecnología NIR ha sido una herramienta útil para diferenciar la composición química de los sustratos.

   La olfatometría dinámica se ha utilizado para detectar puntos críticos, en términos de impacto odorífero, de una planta de tratamiento de residuos, pudiendo relacionarse con la concentración y estabilidad de la materia orgánica. Además, teniendo en cuenta condiciones meteorológicas como la temperatura, velocidad y dirección del viento, se ha predicho el impacto odorífero en zonas colindantes mediante modelos de dispersión.

 

1. Introducción

   Entre los diversos métodos de tratamiento y de conformidad con la legislación en materia de reciclaje y valorización de residuos orgánicos como alternativa a la eliminación en vertederos (Council Directive, 1999), el compostaje es un proceso aerobio de degradación biológica llevado a cabo bajo condiciones controladas para transformar los residuos orgánicos en una enmienda orgánica estable e higienizada, ampliamente conocida como compost.

   El compostaje es un proceso convencional, económico y con perspectiva medioambiental sostenible. Aun así, el proceso de compostaje puede emitir una cantidad considerable de olores desagradables producidos, principalmente, por la generación de Compuestos Orgánicos Volátiles (COVs) (Hyunook et al., 2014; Blazy et al., 2015). Debido a la importancia del impacto oloroso y según el segundo borrador de la directiva europea sobre residuos biológicos (European Commission, 2003), la olfatometría dinámica es una técnica alternativa y adecuada para llevar a cabo el seguimiento del proceso de compostaje.

   Esta técnica fue establecida en la norma europea (EN-13725, 2003) como método de referencia para determinar la concentración de olor en términos de unidades de olor europea por metro cúbico (ouE/m3). Los objetivos principales de este estudio de investigación han sido: (1) reducir el número de análisis químicos para el seguimiento del proceso mediante el Análisis de Componentes Principales (ACP); (2) encontrar diferencias significativas en el olor por la composición química de los sustratos cuantificada mediante espectroscopía NIR; (3) correlacionar las variables operacionales y olfatométricas, tales como la temperatura (ºC), el índice respirométrico dinámico (DRI), la concentración de olor (OC) y la tasa de emisión (OER), mediante ACP para evaluar la influencia de cada variable en la agrupación de los sustratos; y (4) simular el impacto odorífero en zonas próximas teniendo en cuenta las condiciones climatológicas y orografía del terreno.

 

2. Materiales y métodos

   Se han seleccionado distintos sustratos orgánicos, con el objetivo de relacionar el impacto oloroso con las variables del proceso de compostaje: fracción orgánica de residuos sólidos urbanos (OFMSW), mezcla de OFMSW con cáscara de naranja (OFMSW-OPW), lodo de estación depuradora de aguas residuales (SL), mezcla de residuos del procesado de la fresa y conservera de melva con SL (SFWSL), residuo de mercado (RM) y mezcla de gallinaza con alperujo). Los sistemas de compostaje han sido: 1) Pilas de compostaje aireadas por volteo a escala industrial; 2) Compostaje en un respirómetro dinámico a escala piloto; y 3) Vasos Dewar a escala de laboratorio.

 2.1 Seguimiento de las emisiones de olor durante los procesos de compostaje

   Las emisiones de olor generadas durante el proceso de compostaje a distinta escala (industrial, piloto y laboratorio) se han cuantificado utilizando un olfatómetro T08 fabricado por Odournet GmbH. Además, las muestras de olor se han tomado en bolsas de muestreo de Nalophan®, con capacidad de 10L.

 2.2 Espectroscopia de infrarrojo cercano (NIR)

   Se ha utilizado un espectrofotómetro NIR portátil QualitySpec TREK para visualizar los espectros de absorbancia medida por reflectancia de cada materia prima en el proceso de compostaje llevado a cabo a escala piloto.

 2.3 Análisis de Componentes Principales (ACP) y regresión multivariante

   Se ha realizado un ACP a la caracterización físico-química en los distintos instantes del proceso de compostaje a escala piloto, permitiendo evaluar la relación entre las materias primas y las variables seleccionadas, detectando las agrupaciones por similitudes o diferencias entre ellas. Además, la relación entre la emisión de olor y las variables operacionales (DRI, Tª, Q) se ha evaluado mediante regresión multivariante. Esta técnica estadística permite predecir los valores del olor, a partir de las variables p-independientes (físico-químicas y operacionales, entre otras).

 2.4 Modelo de dispersión

   Un estudio del impacto en zonas colindantes a la planta industrial de tratamiento mediante compostaje de los residuos seleccionados, ha considerado las condiciones meteorológicas (temperatura, velocidad y dirección del viento) obtenidas de la base de datos histórica de la estación meteorológica más cercana a la planta. La tasa de emisión global de las pilas de compostaje se ha calculado mediante la siguiente ecuación:

OER = ((Q · ou) / As) · A · N

donde Q es el caudal de ventilación que circula a través del muestreador (m/s), ou es la concentración de olor media de las pilas de compostaje (ouE/m3), As es el área del muestreador (m2), A es el área de emisión de las pilas (m2) y N es el número de pilas.

   Finalmente, se ha aplicado un modelo gaussiano de dispersión (modelo de pluma) con la siguiente expresión:

C(x,y,z) = OER / (π·u·σy (x)·σz (x)) · exp[-1/2 · (y / σy (x))2 ] · exp[-1/2 · (H / σz (x))2 ]

donde OER es la tasa de emisión global (ouE/tiempo), u es la velocidad del viento (m/s), σy y σz son los coeficientes de dispersión (m), H es la altura efectiva de emisión (m) y x,y,z son las distancias axial, transversal y vertical, en función del viento (m).

 

3. Resultados y discusión

 3.1 Evaluación de las variables del proceso de compostaje a escala piloto

   La Figura 1 muestra las componentes principales (PC1 y PC2) obtenidas, con un 87% de varianza total explicada. Como puede observarse las materias primas se pueden agrupar claramente, excepto el sustrato OFMSW, que presenta una mayor dispersión debido a la heterogeneidad que lo caracteriza.

imagen toledo2
Fig 1. Análisis de componentes principales y porcentaje de influencia de las variables de operación del proceso de compostaje a escala piloto.

    En la Tabla 1, se muestra el rango de variabilidad de las variables DRI, OC, OER y temperatura obtenidos, siendo DRI y OER las variables más influyentes en la agrupación de los sustratos.

 Tabla 1. Variables respirométricas y olfatométricas de los sustratos compostados a escala piloto: Rango de variabilidad
 

OFMSW

OFMSW-OPW

SL

SFWSL

DRI (mgO2 /gSV·h)

3017 - 45860

1139 - 11976

2000 - 8757

269 - 1237

OC (ouE /m3)

197 - 42495

65 - 29381

30 - 4096

15 - 29600

OER (ouE/s)

0,0274 – 5,9021

0,0090 – 4,0807

0,0042 – 0,5689

0,0006 – 1,5211

Temperatura (ºC)

12 - 51

12 - 40

14 - 45

28 - 47

 

 3.2 Estudio de la composición de las materias primas con NIR portátil a escala piloto

   La Figura 2 muestra los espectros NIR de cada materia prima y la desviación típica entre ellos. En la banda con una longitud de onda de entre 1400-1550 nm se observan diferencias por el grupo funcional O-H sin incluir agua (por ser sobre muestra seca), perteneciente a los carbohidratos. También aparecen diferencias a una longitud de onda comprendida entre 2050-2200 nm, influenciado por el grupo funcional C=O y N-H constituido principalmente por proteínas. Además, las bandas entre 2250-2350 nm muestran la influencia del grupo C-H perteneciente a los lípidos.

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Fig 2. Espectrofotometría NIR de las materias primas.

 

 3.3 Comparativa del impacto oloroso de distintas materias primas a escala industrial y modelo de dispersión (inmisión)

   Clásicamente, SL y OFMSW son las materias primas más habituales para llevar a cabo el proceso de compostaje, si bien cada vez es más frecuente el uso de residuos alternativos. La tasa de emisión de olor a partir de estos residuos puede ser muy variable dependiendo de su composición y biodegradabilidad. El sustrato RM es muy biodegradable e inicialmente altamente generador de olor, debido a la elevada concentración de materia orgánica y a su fácil fermentabilidad, como se observa en la Figura 3. Comparativamente, SL es menos oloroso y, si ha sido pretratado mediante digestión anaerobia (SL-AD), aún menos odorante, ya que el pretratamiento aplicado a los lodos biodegrada la fracción fácilmente transformable y reduce considerablemente el impacto oloroso, sin afectar la calidad del producto final. Sin embargo, en todos los casos, el porcentaje de sólidos volátiles disminuye considerablemente, compostando de forma adecuada.

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Fig 3. Impacto oloroso y porcentaje de sólidos volátiles de los distintos sustratos a escala industrial.

   Por otro lado, la Figura 4 presenta la dispersión de olor a partir de OFMSW para distintas condiciones meteorológicas. Como se puede observar, la velocidad del viento y la temperatura ambiente son las variables que más influyen en dicha dispersión.

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Fig 4. Modelo de dispersión de olor.

 

3.4 Evaluación del proceso de compostaje a escala de laboratorio (Dewar)

   La mezcla de gallinaza con alperujo, necesita de un largo periodo de tratamiento, siendo necesaria incluso una etapa hidrolítica, en condiciones anaerobias, previa al clásico proceso de compostaje. Se ha evaluado la predominancia de condiciones aerobias y anaerobias, incorporando un sistema para realizar la toma de muestras de olor. Como cabía esperar, la temperatura es ligeramente superior en condiciones anaerobias, así como su impacto oloroso (Figura 5).

imagen toledo5
Fig 5. Evolución de la temperatura y concentración de olor de los vasos Dewar a escala de laboratorio

 

4. Conclusiones

   La olfatometría dinámica permite evaluar el impacto odorífero del compostaje de distintas materias residuales. Además, es una herramienta de determinación de puntos críticos de emisión de olor en una planta de tratamiento de residuos.

   Además, herramientas estadísticas como el ACP y análisis multivariante y tecnologías como el NIR permiten clasificar el olor por su origen (materia prima) y composición química, siendo posible establecer la relación entre el olor y su composición.

 

5. Referencias

   Blazy, V., de Guardia, A., Benoist, J.C., Daumoin, M., Guiziou, F., Lemasle, M., Wolbert, D., Barrington, S., 2015. Correlation of chemical composition and odor concentration for emissions from pig slaughterhouse sludge composting and storage. Chemical Engineering Journal 276, 398-409.

   Council Directive 99/31/EC on the landfill of waste. Official Journal of the European Communities. Brussels.

   EN 13725 (2003). Air Quality - Determination of Odor Concentration by Dynamic Olfactometry. European Committee for Standardization. Brussels.

   European Commission (2001). Working document. Biological treatment of biowaste. 2nd draft. www. mie.esab.upc.es.es

   http://mie.esab.upc.es/ms/informacio/legislacio/Unio%20Europea/working%20documedo%20biowaste%202.pdf (fecha de consulta 10.03.2017).

   Hyunook, K., Hyunjoo, L., Eunsun, C., Il, C., Taesub, S., Hyungjoon, I., Soobin, A., 2014. Characterization of odor emission from alternating aerobic and anoxic activated sludge systems using real-time total reduced sulfur analyzer. Chemosphere 117, 394-401.

 

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