Assessment of a comprehensive municipal waste-to-energy dry anaerobic digestion process for the province of Sabana Centro (Colombia) combining technical and participatory approaches

Abstract

Recently, there is a growing tendency in developing countries to build and consolidate stronger solid waste management systems. However, the authorities and police-makers are still struggling to use waste as a resource to generate renewable energy. Colombia has experienced reasonable economic growth over the past 20 years backed with an increase in waste generation. Nonetheless, waste management is still a challenge for the country. A few initiatives are being implemented nowadays in small municipalities to recover the organic fraction of municipal solid waste. In Sabana Centro, a small province in Colombia, six municipalities are currently implementing pilot plans to recover organic waste, two have at least two organics collection routes and send them to compost processes, and one of them (Cajicá) retrieves all the organic fraction and produce soil amendments. These facts are strong evidence that there is a growing interest in the province to implement technologies to recover organic waste. In this multidisciplinary thesis, an assessment of a waste-to-energy process for Sabana Centro by using dry anaerobic digestion and participatory approaches is proposed. First, the most relevant factors that affect municipal solid waste management systems in Colombia were outlined through a combined impact analysis and participatory methodology. Then, dry anaerobic digestion of organic fraction of municipal solid waste using samples from two municipalities in Sabana Centro was evaluated to define possible strategies to increase biogas and methane production. Both strategies were biological pretreatment using white rot fungi and co-digestion with municipal grass waste.

En la actualidad los países en vías de desarrollo se encuentran en la búsqueda de construir sistemas de manejo de residuos sólidos más robustos y sostenibles. Sin embargo, todavía existe un esfuerzo creciente por ver el residuo como un recurso para generar energía renovable y productos de valor comercial. Colombia es un país latinoamericano que ha experimentado un crecimiento económico razonable en los últimos 20 años, acompañado de un crecimiento en la generación de residuos sólidos. No obstante, el manejo de estos residuos sigue siendo un reto importante en el país. Existen algunas iniciativas que están siendo implementadas en pequeñas ciudades para recuperar la fracción orgánica de los residuos municipales. Por ejemplo, el caso de Sabana Centro, una pequeña provincia en Colombia en la cual seis de once municipios implementan planes piloto para recuperar los residuos orgánicos. Dos de los municipios de Sabana Centro tiene al menos dos rutas de recolección de orgánicos, los cuáles son enviados a procesos de compostaje. Otro de ellos (Cajicá), recupera toda la fracción orgánica que genera y produce mejoradores de suelo por medio de procesos de compostaje. Estos hechos son evidencia fuerte de que existe una tendencia creciente en la provincia de implementar tecnologías que permitan recuperar la fracción orgánica. En esta tesis multidisciplinaria, se propone una valoración de un proceso residuo-a-energía para Sabana Centro (Colombia) a través de la digestión anaerobia seca y el uso de metodologías participativas. Inicialmente, se identificaron los factores que afectan el manejo de residuos sólidos en Colombia a través de un análisis de impacto combinado con metodologías participativas. Luego, se evaluó la digestión anaeróbica seca de la fracción orgánica de los residuos sólidos municipales, utilizando muestras de dos municipalidades en Sabana Centro para definir posibles estrategias para incrementar la producción de biogás y metano. Las estrategias evaluadas fueron la co-digestión con residuos de poda y el pretratamiento biológico de los sustratos utilizando dos diferentes especies de hongos. Finalmente, se encontró la oportunidad de utilizar metodologías participativas para diseñar una planta de biogás para Sabana Centro. Esto se logró a partir del diseño de una metodología participativa llamada ADPMDesign que permite el acompañamiento de diferentes stakeholders en diferentes etapas del diseño conceptual del proceso. Durante la presente investigación se identificaron cinco motores de cambio que impulsarán cambios positivos en el manejo de residuos actual en Colombia. Inicialmente, se concluyó que la implementación de procesos residuo-a-energía es esencial para apoyar la transición a manejo de residuos sólidos más sostenibles. Para esto, es indispensable la implementación de políticas de separación en la fuente que permitan obtener los residuos orgánicos previamente separados. Se recomienda involucrar a la comunidad a través de campañas educativas, medios de comunicación y redes sociales. Además, el gobierno de Colombia debe dedicar esfuerzos para desarrollar programas en conjunto con el sector privado y organizaciones internacionales para desarrollar iniciativas que ayuden a deducir los altos costos y riesgos de inversión que hoy en día tienen los proyectos de manejo d residuos en el país. Las asociaciones público-privadas pueden promover la inclusión del sector privado en la construcción y operación de las instalaciones de conversión de residuos. Finalmente, el gobierno debe promover proyectos de investigación y desarrollo que permitan aumentar la madurez tecnológica en tecnologías residuo-a-energía. Los motores de cambio identificados en el presente estudio, motivaron la experimentación a escala laboratorio y piloto de la digestión anaerobia seca para la producción de biogás, utilizando residuos locales. Los resultados de la evaluación a ambas escalas mostraron que la digestión anaerobia de los residuos orgánicos municipales como único sustrato no es recomendada para Sabana Centro, ya que existe el riesgo de acidificación en los reactores por acumulación de ácidos grasos volátiles. La combinación de este sustrato con residuos de poda municipal es una estrategia adecuada para mejorar la producción de metano y aumentar la estabilidad del proceso a condiciones mesofílicas. Por otro lado, el tratamiento biológico con hongos no mejoró los resultados del proceso. La aplicación de la metodología ADPMDesign con stakeholders permitió el diseño de un proceso para producir electricidad a partir de biogás producido por la degradación anaeróbica de residuos orgánicos municipales generada en los once municipios de Sabana Centro. Adicionalmente, la metodología apoyó el proceso de diseño de ingeniería, reduciendo la posibilidad de encontrar problemas operacionales por incompatibilidades que pueden encontrarse por el desconocimiento del contexto de implementación. Los resultados de este proyecto son de utilidad para dos diferentes grupos de stakeholders. Primero, la comunidad científica en digestión anaerobia tendrá una metodología que permitirá diseñar plantas de biogás con el conocimiento de los principales actores involucrados en el proceso. También puede beneficiarse del conocimiento obtenido acerca del tratamiento de la fracción orgánica de residuos municipales y las estrategias evaluadas para mejorar la producción de biogás. En segundo lugar, las autoridades de Sabana Centro y Colombia tienen por medio de los resultados de este proyecto una guía para implementar la digestión anaerobia, especialmente desarrollada para nuestro contexto.