UNIVERSIDAD TECNOLGICA DE QUERTAROVoluntad. Conocimiento y Servicio

Nombre del proyecto Efecto de acoplamiento de dos reactores UASB en serie, para el tratamiento de aguas residuales de altas cargas orgnicas

Empresa CENTRO DE INVESTIGACIN Y DESARROLLO TECNOLGICO EN ELECTROQUMICA, S.C.

Memoria que como parte de los requisitos para obtener el ttulo de INGENIERA AMBIENTAL

PRESENTA: C. ESTELA ZAMORANO PERRUSQUIA

Dr. Adrin Rodrguez Garca ASESOR DE LA EMPRESA

Juan Figueroa Espinosa ASESOR UTEQ

SANTIAGO DE QUERTARO

AGOSTO DEL 2009

RESUMEN El tratamiento de aguas residuales ha tomado una gran trascendencia y en la actualidad los procesos biolgicos, como la digestin anaerobia, que son aplicados para aguas residuales con alta concentracin de materia orgnica, por esta razn se evala la eficiencia de un reactor anaerobio de flujo ascendente UASB y de dos reactores conectados en serie, en el tratamiento de aguas residuales de la industria del descarne. Se trabajo con un TRH de 24 h, a una temperatura controlada de 37C, y una COV en promedio de 20 kg DQO/m 3 d en el primer reactor (R1), el segundo reactor (R2) se opero con un TRH de 24 y 48h, a temperatura ambiente, con una COV de 6,43 kg DQO/m3 d, se obtuvieron remociones de DQO del 50,89% y 3,66% respectivamente. Palabras Clave: descarne, digestin anaerobia, reactor UASB, tiempo de retencin hidrulico, carga orgnica volumtrica.

ABSTRACT The treatment of wastewater has taken far-reaching and currently the biological processes such as anaerobic digestion are applied for wastewater with high concentration of organic matter, for this reason it evaluates the efficiency of an upflow anaerobic sludge blanket reactor UASB and two reactors connected in series, in the treatment of wastewater from industry of the fleshing. were worked with an HRT of 24 h, at controlled temperature of 37 C, and a VOC on average 20 kg cod/m3 (d) in the first reactor (R1), the second reactor (R2) was operated with an HRT of 24 and 48 h at room temperature with a COV of 6.43 kg cod/m3 d, removals of COD of the 47.81% and 8.28% were obtain, respectively. Keywords: Fleshing, UASB reactor, hydraulic retention time, anaerobic digestion, volumetric organic load.

i

DEDICATORIAS A Dios. Le doy gracias por permitirme tener la maravillosa aventura de existir y lograr culminar una etapa ms de mi vida, sobre todo por contar con cada uno de los integrantes de mi familia y con las personas que se encuentran a mi alrededor y sienten un cario por mi; Muchas Gracias. Agradecimientos A mis padres. Por los consejos, que me han ayudado para seguir adelante y los regaos me han

servido para ser una persona con espritu de lucha y de provecho. Por el apoyo incondicional que me han

brindado durante toda esta etapa formativa de mi vida y poder llegar a lograr este nuevo xito MUCHAS A mi Hermana. mucho. Por todos los consejos me ha dado, durante todo estos aos, gracias te doy por estar siempre conmigo en todos los momentos importantes de mi vida y sobre en aquellos que requiero de un regao. Constituyes una parte importante en mi vida; para mi eres la mejor hermana del mundo. T. Q. M. GRACIAS paps; los quiero

ii

AGRADECIMIENTOS Dr. Adrin Rodrguez Garca Por brindarme la oportunidad de ser parte de su grupo de trabajo. Ricardo Israel Zambrano Muchas gracias por los consejos que me servirn, en el camino de mi vida, por la disposicin y el tiempo que me brindo.

A mis compaeros de laboratorio: Alma, Gloria, Luis Fernando, Joel, Vctor, Luis ngel, Guillermo que hicieron en todo momento un

ambiente agradable de trabajo, por brindarme su amistad y apoyo A todos mis Maestros. Por compartir, un poco de sus

conocimientos, en todas las etapas de mi formacin acadmica. Muchos de ustedes forman parte importante de mi vida y los recordar siempre.

A mis compaeros y amigos: Olivia, Liliana, Gustavo, Yedid, Viridiana, Berenice, Susana, Francisco, gracias por esos momentos tan divertidos y de estrs estudiando en la casa de alguno de ustedes, por los consejos y sobre todo por brindarme su amistad. iii

NDICERESUMEN ...........................................................................................................i ABSTRACT..........................................................................................................i DEDICATORIAS ................................................................................................. ii AGRADECIMIENTOS ........................................................................................ iii 1. 2. 3. 4. 5. 6. INTRODUCCIN ........................................................................................ 1 ANTECEDENTES ....................................................................................... 3 JUSTIFICACIN ......................................................................................... 6 OBJETIVOS ................................................................................................ 6 ALCANCES ................................................................................................. 7 JUSTIFICACIN TERICA......................................................................... 8 6.1 6.1.1 6.1.2 6.1.3 6.1.4 6.2 6.2.1 6.2.2 6.2.3 PROCESO DE DIGESTIN ANAEROBIA ............................................ 8 Hidrlisis ............................................................................................ 9 Fermentacin o acidognica ............................................................ 10 Acetognesis ................................................................................... 10 Metanognica. ................................................................................. 11 FACTORES QUE AFECTAN LA DIGESTIN ANAEROBIA ............... 12 Temperatura .................................................................................... 12 pH y Alcalinidad ............................................................................... 13 Contenido de Nutrientes .................................................................. 14

6.2.4 Tiempo de Retencin Hidrulico (TRH) y Velocidad de Carga Orgnica (VCO)............................................................................................ 15 6.2.5 6.2.6 6.2.7 6.3 6.3.1 6.3.2 6.3.3 Agitacin .......................................................................................... 15 Txicos e inhibidores ....................................................................... 16 Cationes y metales pesados ............................................................ 17 REACTORES ANAEROBIOS ............................................................. 18 Reactores de primera generacin .................................................... 19 Reactores de Segunda generacin .................................................. 20 Reactores de tercera generacin ..................................................... 21

iv

6.4 6.4.1

Reactor anaerobio UASB .................................................................... 21 Parmetros de seguimiento en un reactor UASB ............................. 24 pH. ............................................................................................... 24 DQO ............................................................................................. 24 Alcalinidad Total y parcial (AT, AP). ............................................. 24 cidos Grasos Voltiles. ............................................................... 25 Nitrgeno Amoniacal. ................................................................... 26 Slidos. ........................................................................................ 26 Grasas y Aceites. ......................................................................... 27

6.4.1.1 6.4.1.2 6.4.1.3 6.4.1.4 6.4.1.5 6.4.1.6 6.4.1.7 6.5 6.5.1 6.5.1.1 6.5.1.2 6.5.1.3 6.5.1.4 6.5.1.5 6.5.1.6 6.5.2 6.5.2.1 6.5.2.2 6.5.3 6.5.3.1 6.5.3.2 6.5.3.3 6.6 6.6.1 6.6.1.1 6.6.1.2 7.

PROCESO DEL CURTIDO ................................................................. 27 Ribera .............................................................................................. 28 Conservacin. .............................................................................. 28 Remojo. ........................................................................................ 29 Descarnado. ................................................................................. 29 Desencalado. ............................................................................... 30 Rendido. ....................................................................................... 30 Piquelado. .................................................................................... 30 Curticin (Fase de curticin) ............................................................ 31 Curticin al cromo......................................................................... 31 Curticin vegetal ........................................................................... 31 Recurtido ......................................................................................... 31 Tintura. ......................................................................................... 31 Secado. ........................................................................................ 32 Acabado. ...................................................................................... 32

PROCESO DEL DESCARNE O SEBADEROS ................................ 32 Descarne ......................................................................................... 32 Recoleccin. ................................................................................. 33 Extraccin de Sebo. ..................................................................... 34

PLAN DE ACTIVIDADES .......................................................................... 35

v

7.1 8.

DIAGRAMA DE GANTT ...................................................................... 35

RECURSOS MATERIALES Y HUMANOS ................................................ 37 8.1 8.2 8.2.1 8.2.2 8.2.3 RECURSOS HUMANOS .................................................................... 37 RECURSOS MATERIALES ................................................................ 37 Reactivos ......................................................................................... 37 Equipos ........................................................................................... 38 Materiales ........................................................................................ 39

9.

DESARROLLO DEL PROYECTO ............................................................. 42 9.1 9.2 9.3 9.4 9.4.1 9.4.2 9.4.3 9.4.4 CARACTERIZACIN DE LODO GRANULAR .................................... 42 MONITOREO DEL PRIMER REACTOR ............................................. 42 MONTAJE Y MONITOREO DEL SEGUNDO REACTOR UASB ........ 43 MTODOS ANALTICOS.................................................................... 43 Determinacin de Alcalinidad Total y Parcial ................................... 44 Determinacin de los cidos Grasos voltiles ................................ 45 Determinacin de Demanda Qumica de Oxigeno Total y Soluble. .. 46 Determinacin de Nitrgeno Amoniacal (NH3 H) .......................... 48

9.4.5 Determinacin de Slidos Suspendidos Totales, Slidos Suspendidos Voltiles, Slidos Suspendidos Fijos (NMX AA 034 SCFI 2001) ....... 48 9.4.6 9.4.7 9.4.8 2004) 9.4.9 9.5 Determinacin de Slidos Totales, Slidos Voltiles, Slidos Fijos .. 51 Determinacin de Grasas y aceites ................................................. 53 Determinacin de actividad metanognica especifica (Rozzi, Ramigi, 54 Determinacin del TRH, carga orgnica volumtrica ....................... 55 PRUEBAS DE DIGESTIN ANAEROBIA EN LOTE........................... 56

9.6 COMPARACIN DE LA EFICIENCIA DE UN REACTOR UASB Y DOS REACTORES CONECTADOS EN SERIE.................................................... 57 10. RESULTADOS OBTENIDOS ................................................................. 59 CARACTERIZACIN DEL LODO GRANULAR. .............................. 59 PARMETROS DE COMPORTAMIENTO DEL PRIMER REACTOR 60

10.1 10.2

vi

10.2.1 10.2.2 10.2.3 10.2.4 10.2.5 10.2.6 10.2.7 10.3 10.3.1 10.3.2 10.3.3 10.3.4 10.3.5 10.3.6 10.3.7 10.4 10.4.1

Comportamiento de la DQOt ........................................................ 60 Comportamiento de los slidos totales y voltiles ......................... 60 Alcalinidad total y parcial .............................................................. 61 cidos grasos voltiles y pH ......................................................... 62 Relacin alfa () ........................................................................... 63 Nitrgeno Amoniacal .................................................................... 63 Grasas y aceites ........................................................................... 64 RESULTADOS DE CONTROL DEL SEGUNDO REACTOR ........... 65 Remocin de DQOt ...................................................................... 65 Comportamiento de ST y SSV ...................................................... 66 Alcalinidad total y parcial .............................................................. 67 cidos Grasos voltiles y pH ........................................................ 67 Relacin alfa () ........................................................................... 68 Nitrgeno amoniacal ..................................................................... 69 Grasas y Aceites .......................................................................... 69 PRUEBAS DE DIGESTIN ANAEROBIA EN LOTE ....................... 70 Comportamiento de la DQO ......................................................... 70

10.5 COMPARACIN DE LOS RESULTADOS DE LAS PRUEBAS DE DOS REACTORES CONECTADOS EN SERIE. .......................................... 71 10.5.1 10.5.2 serie 10.5.3 10.5.4 11. 12. 13. 14. Evolucin de DQO en los dos reactores conectados en serie ...... 71 Evolucin de los ST y SSV de los dos reactores conectados en 72 Grasas y Aceites .......................................................................... 73 Parmetros de control .................................................................. 74

ANLISIS DE RIESGO .......................................................................... 76 CONCLUSIONES .................................................................................. 77 RECOMENDACIONES .......................................................................... 78 REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS ....................................................... 79

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NDICE DE FIGURAS

Figura 6.1 Descripcin del proceso de la digestin anaerobia.9 Figura 6.2 Constante de crecimiento de la temperatura..12 Figura 6.3 Reactores anaerobios de primera generacin.19 Figura 6.4 Reactores anaerobia de segunda generacin20 Figura 6.5 Reactores anaerobios de tercera generacin..21 Figura 6.6Organizacin Bacteriana del Grnulo.23 Figura 6.7 Proceso de curtido28 Figura 6.8 Diagrama de Bombo 29 Figura 6.9 Maquina de descarnado...30 Figura 6.10 Remocin del tejido subcutneo.33 Figura 6.11 Almacn del descarne crudo.34 Figura 6.12 Proceso de extraccin de Sebo..34 Figura 7.1 Diagrama de Gantt36 Figura 9.1 Neutralizacin de agua residual del descarne.41 Figura 9.2 Inoculacin del segundo reactor, con 2L de lodo granular42 Figura 9.2 Determinacin de Alcalinidad..43 Figura 9.3 Determinacin de DQO45 Figura 9.4 Curva de calibracin46 Figura 9.5 Determinacin de nitrgeno amoniacal.47 Figura 9.6 determinacin de Slidos suspendidos.48 Figura 9.7 Determinacin de los slidos totales.50 Figura 9.8 Determinacin de grasas y aceites...52 Figura 9.8 Pruebas de digestin anaerobia.55 Figura 9.9 Reactores UASB en serie uno con temperatura controlada y el otro a temperatura ambiente.....56 Figura 10.1 Remocin de DQO total.59 Figura 10.2 Comportamiento de los ST60

viii

Figura 10.3 Comportamiento de los SV60 Figura 10.4 Comportamiento de la alcalinidad total y parcial...61 Figura 10.5 comportamiento de los AGV y pH61 Figura 10.6 Relacin alfa ()..62 Figura 10.7 Comportamiento del nitrgeno amoniacal..63 Figura 10. 8 Comportamiento de grasas y aceites.63 Figura 10.9 Evolucin de la DQOt ...64 Figura 10. 10 Comportamiento de los ST65 Figura 10.11 Evaluacin de los SSV65 Figura 10.12 Evaluacin de Alcalinidad parcial y total...66 Figura 10.13 Comportamiento cidos grasos voltiles y pH67 Figura 10.14 Comportamiento de la relacin alfa...67 Figura 10.15 Comportamiento del nitrgeno amoniacal68 Figura 10.16 Comportamiento grasas y aceites.68 Figura 10.17 Comportamiento de la DQOt en las pruebas por lote.69 Figura 10.18 Evaluacin de la DQOt de los reactores conectados en serie..70 Figura 10.19 Evaluacin de ST de los dos reactores conectados en serie71 Figura 10.19 Evaluacin de SSV de los dos reactores conectados en serie72 Figura 10.20 Comportamiento de grasas y aceites de los dos reactores conectados en ser..72

NDICE DE TABLAS Tabla 6.1 Rango de concentracin de nutrientes14 Tabla 6.2 Concentracin de inhibicin y toxicidad de metales pesados17 Tabla 6.3 Concentracin Lmite de cationes en sistemas anaerobios18 Tabla 9.1 Diluciones de la curva de calibracin46 Tabla 9.2 Solucin mineral de macro y micro nutrientes...53 Tabla 10.1 Caracterizacin de lodo granular...58

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Tabla 10.2 Resultados de los parmetros de control en los dos reactores...73

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1. INTRODUCCIN

La mayor parte de las curtiduras o teneras en Mxico

se localizan en

Guanajuato, este genera alrededor del 65% del curtido y acabado de cuero, en la ciudad de Len existen ms de 500 curtiduras y constituye su principal

actividad econmica (INEGI 1999), durante el proceso se generan grandes cantidades de residuos slidos y aguas residual, el manejo inadecuado de estos desechos pueden causar un grave problema de contaminacin ambiental.

El residuo que sale del descarne es aprovechado por otras industrias como la del descarne o sebaderos, la cual aprovecha estos residuos para utilizarlos como materia prima para obtener grasas o sebo que posteriormente ser utilizado por otras empresas para producir jabones, como resultado de su

proceso generan agua residual con alta carga orgnica, dicha agua puede ser tratada por un proceso anaerobio.

Los procesos anaerobios se han convertido en una de las tecnologas ms idneas para el tratamiento de aguas residuales, especialmente aquellas con alta concentracin de materia orgnica. Esta tcnica presenta numerosas ventajas frente a otras tcnicas de tratamiento, no requiere suministro de

energa, por el contrario genera un biogs con alto contenido de metano que puede ser utilizado como energtico, adicionalmente la produccin de lobo es baja lo que reduce notablemente el problema de la disposicin final de los lodos de purga.

1

En el presente trabajo se aborda el tratamiento biolgico va digestin anaerobia, mediante un reactor anaerobio de flujo ascendente (UASB), con un agua residual que proviene de la industria del descarne, que contiene una alta carga orgnica, alrededor de 20 kg DQO/ m3 d y un alto contenido en grasas 15 452 mg / L, se enfoca a evaluar la remocin de un reactor UASB y dos conectados en serie para maximizar, su eficiencia.

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2. ANTECEDENTES

En la ciudad de Len, Guanajuato, existen

un nmero considerable de

industrias dedicadas a la curtidura y representa una de las actividades econmicas ms importantes del estado, debido manufactura, genera grandes volmenes de residuos. El curtido es un proceso por el cual la piel de los animales, es transformada en cuero por agentes curtidores a travs de una reaccin qumica donde se da una estabilizacin de las protenas de la piel, logrando que el cuero no sufra una descomposicin, este pueden ser utilizado como materia prima para la produccin de artculos como zapatos, carteras, bolsas, etc. El proceso de la curticin, normalmente se divide en tres etapas: Ribera (fase de preparacin), en esta etapa se tienen las siguientes operaciones: Conservacin: en esta se detiene el proceso de descomposicin de la piel, por la proliferacin de las bacterias; Remojo: su objetivo es hidratar la piel volviendo a su estado natural y eliminar la suciedad; Depilado o pelambre: se eliminan las races capilares, la epidermis y el pelo; Descarnado: Consiste en limpiar la piel, dejndola libre de grasa y carne excedente para que los agentes qumicos penetren mejor en las siguientes operaciones. Desencalado: se reduce la alcalinidad de las pieles, se usan sales de a sus procesos de

amonio (cloruros y sulfatos) para neutralizar el contenido de cal. Rendido: este proceso limpia los espacios, para que puedan absorber los curtientes y tener una textura suave y flexible.

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Piquelado: se corrige el pH de la piel, hasta bajarlo a un rango de 4 a 2.5, y se permite una mejor absorcin, esta etapa se aplica sobre todo si se utiliza la curticin al cromo. Curticin (Fase de curticin): en esta segunda etapa se logra que la piel alcance una estabilidad qumica y fsica hacindola resistente a los cambios de temperatura y humedad, para llevar a cabo el curtido puede realizarse por curtido vegetal o utilizando sales inorgnicas. Curticin al cromo: se utiliza sulfato de cromo (III), (Cr (OH)SO4), para estabilizar la estructura del colgeno de las pieles, que produce un cuero verde/azul, esta tcnica es la ms utilizada hoy en da por el poco tiempo que dura el proceso. Curticin vegetal: se realiza usando materiales vegetales como: Madera, corteza, hojas y tallos y frutos, el resultado es un cuero suave y el color va a depender de la mezcla de los ingredientes empleados en el curtido. Recurtido y Acabado: en esta se consigue que el cuero tome la

suavidad, color y entre otras caractersticas que el fabricante requiere para cada tipo de producto(CAR/PL, 2000)1

De acuerdo con las operaciones que se llevan a cabo en la curtidura, se puede observar que se generan grandes volmenes de aguas residuales con residuos slidos, que son depositados en el relleno sanitario, algunas empresas utilizan estos desechos, en especial los que sale de la operacin del descarne, y son recolectados, por las empresas procesadoras del descarne, para obtener grasas o sebo que son utilizados por varias industrias, como materia prima para realizar, jabones; Generando as aguas residuales con alta carga orgnica, es por ello que se tiene una preocupacin, por lograr mantener estos niveles lo ms bajo posible para el cumplimiento de la normatividad vigente. Existen diversos tratamientos de aguas residuales, como el biolgico, fsico qumico, enzimtico, etc.; La aplicacin de un mtodo determinado, va a

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depender

de

las

caractersticas

del

agua,

fundamentalmente

de

la

concentracin del contaminante y del caudal del efluente. El tratamiento de las aguas residuales consiste en una serie de procesos, que tiene como objetivo eliminar los contaminantes fsicos, qumicos y biolgicos que estn presentes en el agua. En el tratamiento fsico qumico, se adicionan ciertos productos qumicos que ayudan a desestabilizar las partculas coloidales, aumentar su volumen y

precipitarse.

El tratamiento enzimtico, consiste en agregar enzimas a sitios contaminados con el fin de que degraden las sustancias nocivas, estas se obtienen de microorganismos especializados para as, obtener grandes cantidades y de alta especialidad.

Los tratamientos biolgicos son los ms comunes, siempre que sea posible implementarlos, ya que tienen mayor rendimiento, los costos son menores, y destruyen completamente los contaminantes, este tratamiento se basa en la digestin aerobia y anaerobia: La digestin aerobia, se lleva a cabo en

presencia de oxgeno, las bacterias consumen rpidamente la materia orgnica y la convierten en dixido de carbon.

La digestin anaerobia, se realiza en ausencia de oxgeno,

en donde la

materia orgnica es convertida en metano y dixido de carbono, actualmente las tecnologas que utilizan la digestin anaerobia, estn siendo aceptados para tratamientos de aguas residuales industriales, que tienen altas concentraciones de DQO y altas temperaturas, lo cual favorece altamente la digestin anaerobia.(Ojeda-Barra L, 2010)2.

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3. JUSTIFICACIN

En la presente investigacin se pretende, disminuir la contaminacin de agua que genera la industria del descarne, durante su proceso donde se obtiene grasas o sebo y una agua residual con un alto contenido de materia orgnica, esta agua generalmente es vertida directamente al drenaje y a los cuerpos de agua, esta situacin presenta una problemtica ambiental. Debido a las caractersticas del agua puede ser tratada, a travs de un

tratamiento biolgico, de digestin anaerobia en un reactor anaerobio de flujo ascendente UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket), ya que es apto para el tratamiento de aguas residuales con altas concentraciones de carga orgnica, este sistema presenta grandes ventajas, como el costo de construccin y

mantenimientos es mucho menor que el de una planta de tratamiento tradicional, a dems que tienen un tiempo de retencin hidrulico corto, la produccin de lodos es bajo y la posible recuperacin de energa.

4. OBJETIVOS

1. Determinacin de parmetros de control para el seguimiento de los reactores UASB. 2. Montaje de las tcnicas analticas para el seguimiento de los reactores UASB. 3. Evaluar la eficiencia en el tratamiento de aguas residuales de un reactor UASB y de dos reactores conectados en serie.

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5. ALCANCES

Se tiene como propsito el dar una solucin a la problemtica ambiental que tienen la industria del descarne, debido a las sanciones que se tienen por las descargas que se realizan de sus aguas residuales al alcantarillado, adems de conseguir que cumpla con la legislacin ambiental en materia de aguas aplicable en Mxico

Evaluar las condiciones de operacin de los reactores con los que se trabajara para optimizar el sistema y calcular las eficiencias de remocin a la salida del agua de los reactores, con la determinacin de los parmetros como la DQO, ST, SST, AP, AT, relacin , AGV y nitrgeno amoniacal.

Con la realizacin de la investigacin se pretende disear un sistema de tratamiento para las aguas residuales de la industria del descarne

orientndose, a la disminucin de las altas cargas orgnicas que contiene y que permita seleccionar e identificar tratamiento. los componentes para del tren de

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6. JUSTIFICACIN TERICA

6.1 PROCESO DE DIGESTIN ANAEROBIA La digestin anaerobia es un proceso en el cual se usan microorganismos, en ausencia de oxigeno para la estabilizacin de materiales orgnicos mediante su conversin a biomasa y compuestos inorgnicos en su mayora voltiles:

La mayora de los microorganismos oxidan determinados compuestos orgnicos a fin de obtener energa para su crecimiento y utilizan compuestos carbonados especficos para sintetizar sus componentes celulares. Los productos finales de un grupo de microorganismos suelen ser alimento del grupo siguiente, de forma que a lo largo del proceso existen un delicado balance que es necesario mantener para que la reaccin se desarrolle correctamente. Los estudios bioqumicos y microbiolgicos, la digestin anaerobia se dividirse en cuatro etapas de acuerdo a la actividad metablica y a sus productos finales: Hidrlisis. fermentacin o acidognica. Acetognesis. Metanognesis.

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En la figura 1 se observa las distintas etapas del proceso de la digestin anaerobia, los productos generados y las bacterias que intervienen en cada una de las etapas.

Figura 6.1 Descripcin del proceso de la digestin anaerobia ( Mandiga,1997, Van Haandel,1994)3 6.1.1 Hidrlisis La hidrlisis es el primer paso para la degradacin anaerobia de substratos orgnicos complejos, en esta las bacterias hidroliticas y fermentativas,

producen enzimas extracelulares que se encargan de degradar los polmeros presentes en el agua residual (carbohidratos, protenas, lpidos y compuestos aromticos) que son convertidos en compuestos como azcares, aminocidos, almidones, lpidos y fosfolipidos. La etapa hidroltica puede ser la etapa limitante

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de la velocidad del proceso global, sobre todo tratando residuos con alto contenido en slidos, (Pavlostathis y Giraldo-Gmez, 1991)4.

El grado de hidrlisis y la velocidad del proceso dependen de muchos factores, entre otros del pH, de la temperatura, de la concentracin de biomasa hidroltica, del tipo de materia orgnica particulada, y del tamao de partcula.

6.1.2 Fermentacin o acidognica Las molculas orgnicas solubles son fermentadas

por organismos

acidognicos formando compuestos que pueden ser utilizados directamente por las bacterias metanognicas (cido actico, H2) y compuestos orgnicos ms reducidos ( cido lctico, etanol, cido propinico y butrico, principalmente) que tienen que ser oxidadas pro bacterias acetognicas o substratos que puedan utilizar las metanognicas.

Uno de los principales componentes de la materia orgnica, sobre todo en residuos ganaderos, son los materiales lignocelulsicos, compuestos

principalmente por lignina, celulosa y hemicelulosa. La lignina es un material altamente refractario a la degradacin anaerobia, afectando tambin a la biodegradabilidad de la celulosa, de la hemicelulosa y de otros polmeros, convirtindose su degradacin en el proceso limitante de la velocidad de la hidrlisis y por tanto, de la degradacin anaerobia de determinados substratos (Sleat y Mah, 1987; Pavlostathis y Giraldo-Gmez, 1991; Veeken y Hamelers, 1999)5.

6.1.3 Acetognesis Durante la acetognesis, los productos de la fermentacin son convertidos en acetato, hidrogeno y dixido de carbono por las bacterias denominadas

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acetognicas productoras obligadas de hidrogeno, que son los sustratos de las bacterias metanognicas. Las bacterias homoacetognicas, son bacterias fermentativas generalmente se caracterizan por la produccin exclusiva de acetato a partir de H2 y CO2 de un sustrato carbonado como glucosa y la fructosa. El principal inhibidor de la acetognesis, es el hidrogeno molecular, el propio cido actico que es producto de la acetognesis o los cidos grasos de cadena larga, adems de estar muy afectado por el valor del pH (Boone y Mah, 1987)6. 6.1.4 Metanognica. Los microorganismos metanognicos pueden ser considerados como los ms importantes dentro de los microorganismos anaerobios, ya que son los responsables de la formacin de metano y de la eliminacin de los productos anteriores. Las bacterias metanognicas son las responsables de la formacin de metano a partir de substratos monocarbonados o con dos tomos de carbono unidos por un enlace covalente, como acetato, H2, CO2, metanol y algunas metilaminas. Se pueden establecer dos grandes grupos de microorganismos, en funcin del substrato principal, dividindose en los hidrogenotrficos, que consumen hidrgeno y frmico, y los metilotrpicos o acetoclsticos, que consumen grupos metilos del acetato, metanol y algunas aminas (Cair y Pars, 1988) 7.

El crecimiento de los microorganismos metanognicos, se puede ver afectado por el nitrgeno amoniacal, los cidos grasos de cadena larga, cidos grasos voltiles, algunos cationes, etc. No todos los grupos de metanognicos resultan igualmente inhibidos por los mismos compuestos. La inhibicin por amonaco

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libre es ms fuerte para los metanognicos acetoclsticos que para los hidrogenotrficos (Hansen , 1998)8.

6.2 FACTORES QUE AFECTAN LA DIGESTIN ANAEROBIA El proceso de digestin anaerobia se ve afectado por diversos factores, debido a cada tipo de bacterias que intervienen en las distintas etapas del proceso, los factores ms importantes que se deben de tener en cuenta son los siguientes:

6.2.1 Temperatura La eficiencia del proceso anaerobio se ve afectado por la temperatura, las variaciones bruscas de temperatura pueden provocar la desestabilizacin del proceso, ya que afecta el crecimiento y la supervivencia microbiana, existen tres rangos principales de temperatura en los que pueden trabajar los

microorganismos anaerobios: Psicrofilicos por debajo de 25C, mesofilico entre 25 y 45C y termofilico entre 45 y 65C, siendo la tasa mxima especfica de crecimiento (max) mayor conforme aumenta la temperatura Dentro de cada rango de temperatura, existe un intervalo donde el parmetro se hace mximo, Figura 2, (van Lier et al., 1993)9.

Figura 6.2 Constante de crecimiento de la temperatura (Van Lier, 1993)

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El rango psicrofilico ha sido poco estudiado y en general presenta menores problemas de estabilidad que en los otros rangos de operacin, en el rgimen mesofilico de operacin, es el ms utilizado, aunque el rgimen termofilico se est utilizando para conseguir una mayor velocidad del proceso, para eliminar la materia orgnica, la produccin de biogs y una mejor eliminacin de organismos patgenos, sin embargo, suele ser ms inestable a cualquier cambio de las condiciones de operacin. La sensibilidad a los cambios de temperatura ambiental depende de diversos factores, principalmente del grado de adaptacin del cultivo, del modo de operacin y del tipo de bioreactor.

6.2.2 pH y Alcalinidad Los diferentes grupos de bacterias que se encuentran presentes en el proceso de la digestin anaerobia los cuales presentan niveles ptimos en torno a la neutralidad para su correcto desarrollo estos valores son los siguientes (Marti Ortega N, 2002)10: Fermentativos: entre 7.2 y 7.4 Acetognicas: entre 7.0 y 7.2 Metanognicos: entre 6.5 y 7.5

Para que los microorganismos anaerobios se desarrollen satisfactoriamente necesitan estar entorno a la neutralidad, ya que se presentaran problemas si el pH baja de 6.5 y si es superior a 8.5. La alcalinidad es uno de los parmetros de control de los procesos anaerobios ya que es una medida de la capacidad tampn del medio, las sustancias que ejercen un poder tampn impiden la cada del pH. Solamente cuando toda la

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alcalinidad del medio no es suficiente para la neutralizacin de los cidos voltiles, ocurrir la cada del pH, por lo tanto, este parmetro se manifiesta muy tarde para poder corregir la falla del proceso. Por lo que es importante evaluar simultneamente los parmetros de pH, cidos grasos voltiles, alcalinidad bicarbontica y total. La alcalinidad al bicarbonato debe mantenerse por encima de 2500 mg/L para asegurar un buen control del pH y una adecuada estabilidad del sistema. (Fannin, 1987)11.

6.2.3 Contenido de Nutrientes Una de las ventajas de los procesos de la digestin anaerobia, es su baja necesidad de nutrientes derivada de los bajos ndices de produccin de biomasa que presentan los microorganismos anaerobios. Los principales nutrientes necesarios para el crecimiento de los microorganismos son el carbono, el nitrgeno y el fosforo y una serie de elementos minerales como S, K, Na, Ca, Mg Y Fe que deben de estar presentes a niveles de trazas (Henze, 1995)12.

Algunos valores mnimos necesarios para el correcto crecimiento de los microorganismos se muestran a continuacin (Tabla 1).

Tabla 6.1 Rango de concentracin de nutrientes (Henze, 1995). Nutrientes nitrgeno N fosforo P Azufre Hierro Otros autores g/kg SSV 80 120 10 25 10 25 5 15 g/kg DQO 55 85 7 18 7 18 4 11

han estudiado la relacin necesaria entre los nutrientes

mayoritarios considerando las relaciones C:N entre 15 30: 1 y C:P de 75 113:1 (Speece, 1987)13.

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6.2.4 Tiempo de Retencin Hidrulico (TRH) y Velocidad de Carga Orgnica (VCO) El tiempo de retencin junto con la velocidad de carga orgnica es un parmetro muy importante, y determina el tipo de sustrato que depender del tipo de reactor, y definir el volumen del mismo.

El tiempo de retencin hidrulico coincide con el tiempo de retencin celular, es decir con la biomasa, por lo que el tiempo de retencin deber ser

suficientemente largo para asegurar el crecimiento de la poblacin bacteriana.

La carga orgnica es la relacin de la cantidad de materia orgnica introducida diariamente en el reactor por unidad de volumen, expresada normalmente en DQO o slidos voltiles, siendo directamente dependiente de la concentracin del substrato y del tiempo de retencin.

Altas cargas orgnicas, en ausencia de inhibidores, proporcionan altas producciones volumtricas de biogs. Parece que la resistencia a ciertos inhibidores puede aumentar con la carga orgnica. Sin embargo la inestabilidad aumenta tambin con el aumento de carga, especialmente en el caso de sobrecargas puntuales, que conllevan la acumulacin de cidos grasos voltiles (Mart Ortega N, 2002)10.

6.2.5 Agitacin La agitacin de los reactores anaerobios tiene diversos objetivos, que se resumen en los siguientes puntos (Noone, 1990)14: Poner en contacto el substrato fresco o influente con la poblacin bacteriana, y eliminar los metabolitos producidos por los metanognicos, al favorecer la salida de los gases; proporcionar una densidad uniforme de poblacin bacteriana;

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prevenir la formacin de capa superficial y de espumas, as como la sedimentacin en el reactor; prevenir la formacin de espacios muertos que reduciran el volumen efectivo del reactor, y la formacin de caminos preferenciales en funcin de la hidrulica del sistema; eliminar la estratificacin trmica, manteniendo una temperatura uniforme en todo el reactor.

La agitacin puede ser mecnica, hidrulica y neumtica. La velocidad de agitacin debe ser suficientemente fuerte para asegurar una correcta homogeneizacin pero sin romper los agregados bacterianos. Algunos tipos de reactores pueden funcionar bien sin ningn sistema de agitacin. Se suelen utilizar para substratos con muy alto contenido en slidos o sobre substratos bsicamente solubles, con regmenes de flujo tipo pistn.

6.2.6 Txicos e inhibidores El proceso de la digestin anaerobia, es inhibida por la presencia de sustancias toxicas para el sistema, estas pueden ser subproductos de la actividad metablica de los microorganismos anaerobios o puede ser parte del influente.

Experimentalmente se ha comprobado que una sustancia toxica puede ser reducida por la aclimatacin de la poblacin de microorganismos y por otra parte muchas sustancias en bajas concentraciones pueden ser estimuladores en el proceso. La aclimatacin implica una reorganizacin de los recursos metablicos para vencer los obstculos metablicos producidos por el substrato toxico ms que mutacin o seleccin de la poblacin.

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6.2.7 Cationes y metales pesados Todos los cationes pueden proporcionar toxicidad a algn nivel de concentracin aumentando la toxicidad con el peso molecular, por lo que los metales pesados son los que provocan toxicidad a menor concentracin.

Los niveles de inhibicin varan mucho en funcin de la fuente, debido a varios factores, los metales pesados precipitan en presencia de sulfuros,

desapareciendo de la solucin por lo que resulta menos toxico para los microorganismos, pudiendo llegar a tolerarse elevadas concentraciones de metales pesados (Hayes y Theis, 1978)15.

Tabla 6.2 Concentracin de inhibicin y toxicidad de metales pesados .Metal Alimentacin Gradual Alimentacin brusca concentracin de Inhibicin * (mg/L) Cr (III) Cr (VI) Cu Ni Cd Pb Zn 130 110 40 10 -340 400 Limite de toxicidad (mg/L) 260 420 70 30 > 20 >340 600 Limite de toxicidad (mg/L)