Optimización de la hidrólisis térmica y digestión anaerobia para la gestión sustentable de lodos en la industria de celulosa.

Abstract

La tesis explora la aplicación de la hidrólisis térmica (HT) seguida de la digestión anaerobia (DA) como una estrategia avanzada para la gestión de lodos secundarios en la industria de la celulosa. Se superan así los problemas presentados por los métodos convencionales de eliminación, en los que no se tiene una valorización del residuo y que siguen un modelo económico lineal. El enfoque principal se centra en valorizar estos residuos mediante la producción de biogás, una alternativa sustentable que contribuye a la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero al sustituir los combustibles fósiles. Debido a las dificultades de degradación de la etapa de hidrólisis en la digestión anaerobia, es de interés evaluar alternativas de pretratamiento. En la última década, se han investigado diferentes métodos de pretratamiento para mejorar la tecnología de digestión anaerobia de lodos. Pero sobre todo han estado vinculadas al área de las aguas residuales municipales, siendo escasos los estudios para los biolodos provenientes de industrias de celulosa, que poseen diferencias remarcables con respecto a los municipales. De los pocos estudios exploratorios aplicados a lodo de industria de celulosa el pretratamiento que más ha destacado es la HT, razón por la cual será el punto de partida de la presente tesis. La investigación aborda la optimización del sistema y múltiples aspectos del proceso, comenzando con el impacto de la HT en la biodisponibilidad de la materia orgánica, y el impacto en la producción de biogás. Sin embargo, la HT también puede elevar la cantidad de compuestos recalcitrantes, lo que representa un reto para los sistemas de disposición posteriores y la degradación anaerobia. Por lo tanto, en segundo lugar, se abordó la cuantificación indirecta de compuestos recalcitrantes, en base a la absorbancia a longitudes de onda específicas, de modo de identificar compuestos como ligninas solubles, melanoidinas y compuestos aromáticos tipo húmicos; además, se realizó la cuantificación de nitrógeno y materia orgánica recalcitrante post-DA. En tercer lugar, se profundiza en la optimización energética del proceso de HT y DA, estudiando las variables que afectan la eficiencia energética del proceso. Se abordan estrategias de optimización multi-objetivo basadas en la ganancia energética del proceso y la generación de recalcitrantes, y siendo estos objetivos eventualmente contrapuestos se realiza una búsqueda de condiciones que represente la solución de compromiso. En cuarto lugar, se investiga la recuperación de macronutrientes, específicamente nitrógeno y fósforo, mediante la HT seguida de la DA. Por último, se realiza un análisis integral que presenta los beneficios económicos y la contribución a la mitigación del cambio climático mediante la reducción de emisiones de gases de efecto invernadero al aplicar HT y DA para tratar biolodo de industria de celulosa. Mediante ejemplos prácticos, se ilustra cómo distintas configuraciones de HT y DA pueden resultar en ahorros significativos y beneficios ambientales. La HT optimizó la producción de biogás en la DA, con un punto óptimo de producción de metano identificado a 202 °C durante 31 minutos. La investigación reveló que la HT puede aumentar la presencia de compuestos recalcitrantes, lo cual plantea desafíos para el tratamiento de residuos. La temperatura fue un factor crítico en la formación de estos compuestos, pero operar a 143 °C durante 29 minutos se identificó como un candidato a óptimo de compromiso para reducir los recalcitrantes con un impacto mínimo en la producción de biogás. Los balances de energía desarrollados demuestran que la tecnología puede aumentar significativamente los beneficios energéticos y alcanzar la autosuficiencia energética del proceso. La optimización indicó que operar a 172 °C durante 30 minutos maximiza la ganancia energética. La HT y DA resulto ser una estrategia prometedora para liberar nutrientes de los residuos, lo que podría contribuir a una gestión más sostenible mediante la producción de fertilizantes naturales o sustituir el agregado de urea en plantas aerobias de efluente de celulosa, tal como ocurre en Uruguay. En conclusión, la tesis demuestra el potencial de la HT y DA para abordar eficazmente los desafíos de la gestión de residuos en la industria de la celulosa, ofreciendo soluciones sostenibles que maximizan la recuperación de recursos, minimizan el impacto ambiental y logran ahorros económicos. Además, las herramientas y métodos son aplicables en otros ámbitos y residuos, por lo que la contribución no está limitada solo al caso de industria de celulosa. Este enfoque integral no solo mejora la sostenibilidad económica, sino que también avanza en la descarbonización y el manejo eficiente de los recursos, marcando un paso significativo hacia sistemas de tratamiento de residuos más sostenibles y eficientes.