RT doctoral thesis
T1 Coproducción de hidrógeno y metano mediante codigestión de biosólidos y vinazas
T2 Coproduction of hydrogen and methane by codigestion of biosolids and vinasse
A1 Tena Villares, Miriam
A2 Tecnologías del Medio Ambiente
K1 energia renovable
K1 gestión de residuos
K1 vinazas de vino
K1 lodos de depuradora
AB El crecimiento poblacional que viene experimentándose en los últimos años y quese prevé que continúe aumentando en los siguientes, ha provocado la generaciónde una mayor cantidad de residuos y una creciente demanda energética, la cuales generada principalmente mediante combustibles fósiles. Ante el inminenteagotamiento de estos combustibles, el encarecimiento de su precio y la emisiónde contaminantes a la atmósfera, se han venido desarrollando nuevas tecnologíascon el propósito de encontrar y desarrollar nuevas fuentes de energía limpias.Entre estas tecnologías encontramos la digestión anaerobia, que servirá tantopara dar solución a la situación energética actual como para facilitar la gestión dela creciente generación de residuos.La presente Tesis Doctoral aborda la gestión conjunta de los lodos de depuradoracon vinazas de vino, bajo el marco de la Economía Circular. Así, la problemáticade los lodos se asocia al notable incremento de su generación en las estacionesdepuradoras de aguas residuales y a los altos costes de gestión actuales. Por suparte, la cercanía de la comarca jerezana ha sido clave para la selección de lasvinazas, dada la alta producción vitivinícola de esta zona y, consecuentemente,debido a la generación de residuos orgánicos altamente contaminantes que hayque gestionar.Se ha seleccionado el proceso de codigestión anaerobia en dos fases detemperatura y de microorganismos, (termofílica- acidogénica y mesofílicametanogénica secuenciales) como tecnología avanzada que permite lavalorización de las dos corrientes generadas en el proceso: el biogás (valorizaciónenergética) y el digerido (valorización material). La presente Tesis Doctoral se presenta como compendio de cinco publicaciones,en las que se recogen los principales resultados de la optimización operativa deesta tecnología para la valorización conjunta de lodos y vinazas. Así en las dosprimeras publicaciones se abordan las primeras etapas del trabajo experimentalrelacionadas con los ensayos de biodegradabilidad desarrollados en condicionesdiscontinuas, mientras que en el resto de publicaciones se discuten los resultadosobtenidos en los estudios realizados a mayor escala en régimen semicontinuo dealimentación.Los primeros ensayos iban encaminados a determinar el potencial de producciónde hidrógeno de la mezcla de lodos y vinazas mediante test en discontinuo. Seensayaron diferentes proporciones de mezclas lodos:vinazas para, tras el análisisde los resultados, seleccionar la mezcla 50:50 v/v de lodos y vinazas como óptimapara la generación de hidrógeno en el proceso de digestión anaerobia termofílicaacidogénica (rendimiento de 41,16 mL H2/g SVañadidos). Además, los análisiscinéticos mostraron que los modelos de Cone y cinético de primer ordenproporcionan mejores ajustes a los datos experimentales de producción dehidrógeno que el modelo de Gompertz modificado.De forma paralela, se plantearon ensayos para determinar la influencia deinóculos de diferentes procedencias y características en la producción dehidrógeno a partir de la fermentación en condiciones termofílicas de una mezclade lodos y vinazas. Los resultados concluyeron que no es necesario tener uninóculo aclimatado para llevar a cabo el proceso de forma exitosa. Así, sedeterminó que el inóculo procedente de un digestor de lodos de EDAR (inóculode lodos) es el más adecuado para su utilización en ensayos de determinacióndel potencial bioquímico de hidrógeno en condiciones termofílicas. El ensayorealizado con este inóculo alcanza un rendimiento de 177,23 mL H2/g SVañadidos,el cual es un 21 y 36 % superior a los rendimientos obtenidos en los test realizadoscon los otros inóculos ensayados. Así en el estudio de la dinámica poblacional, se detectó un crecimiento microbiano, con una mayor proporción de Eubacteria, enlos test realizados con el inóculo de lodos desde 14,95·108 células/mL al inicio delensayo hasta 85,90·108 células/mL al final del mismo, mientras que laconcentración de microorganismos, y la proporción de Eubacteria, en los otroscasos no sufrió apenas variación. A partir de las conclusiones obtenidas en estosensayos se ha propuesto un protocolo estandarizado para la realización de losensayos BHP.Posteriormente, en régimen semicontinuo, se llevaron a cabo estudios deoptimización de la codigestión anaerobia en dos etapas y fases de temperaturade lodos de depuradora y vinazas de vino. Con ese fin se estudió la influencia deltiempo hidráulico de retención, THR, (o velocidad de carga orgánica), tanto en elreactor termofílico acidogénico como en el reactor mesofílico metanogénico. Enambos reactores, la disminución del tiempo hidráulico de retención, o aumentode la velocidad de carga orgánica, se tradujo en un aumento en la producción dehidrógeno o metano según sea el reactor acidogénico o metanogénico,respectivamente. En base a los resultados alcanzados se seleccionaron lostiempos hidráulicos de retención de 1 día y 4 días como óptimos para la primeray la segunda etapa del proceso, respectivamente. En estas condiciones deoperación, los rendimientos de hidrógeno y metano obtenidos fueron de 28,54mL H2/g SVañadidos y 159,40 mL CH4/g DQOeliminada, respectivamente. Elseguimiento de las poblaciones microbianas mostró diferencias en los tamañosde los principales grupos de bacterias y Archaea contenidas en los reactores y enla composición de las subpoblaciones que componen cada grupo. Además losmodelos de Grau de segundo orden y Stover-Kincannon permitieron describir elcomportamiento experimental del reactor mesofílico metanogénico con unaprecisión superior al 90 %.Por último, y una vez optimizados los THR de las etapas acidogénica termofílicay metanogénica mesofílica se analizó la viabilidad de la codigestión anaerobia en dos etapas y fases de temperatura de lodos de depuradora y vinazas de vino, bajoel prisma de la Economía Circular. Así la primera etapa acidogénica alcanzó unrendimiento de 22,90 mL H2/g SVañadidos y mejoró la producción de metano en lasegunda etapa, ya que el rendimiento de metano obtenido (212,56 mL CH4/gSVañadidos) es un 77 % superior al rendimiento de metano obtenido en reactoresmonoetapa. Finalmente se determinó que la valorización energética del metanogenerado en el sistema permite obtener una cantidad de energía eléctrica de14,03 kWh por tonelada de sustratos alimentados al sistema y que el digeridofinal del proceso, en base a su contenido en E. coli y Salmonella, se puedeconsiderar como biosólido Clase A según la USEPA al cumplirse losrequerimientos legales para ello.
YR 2021
FD 2021
LK http://hdl.handle.net/10498/28986
UL http://hdl.handle.net/10498/28986
LA spa
DS Repositorio Institucional de la Universidad de Cádiz
RD 05-nov-2026