Tratamiento anaerobico

Proceso Anaeróbico La digestión anaeróbica es un proceso biológico complejo y degradativo en el cual parte de los

materiales orgánicos de un substrato (residuos animales y vegetales) son convertidos en biogás,

mezcla de dióxido de carbono y metano con trazas de otros elementos, por un consorcio de

bacterias que son sensibles o completamente inhibidas por el oxígeno o sus precursores

Utilizando el proceso de digestión anaeróbica es posible convertir gran cantidad de residuos,

vegetales, estiércoles, efluentes de la industria alimentaria y fermentativa, de la industria

papelera y de algunas industrias químicas, en subproductos útiles. En la digestión anaerobia

más del 90% de la energía disponible por oxidación directa se transforma en metano,

consumiéndose sólo un 10% de la energía en crecimiento bacteriano frente al 50% consumido

en un sistema aeróbico.

En la digestión anaeróbica, los microorganismos metanogénicos desempeñan la función de

enzimas respiratorios y, junto con las bacterias no metanogénicas, constituyen una cadena

alimentaria que guarda relación con las cadenas enzimáticas de células aeróbicas. De esta

forma, los residuos orgánicos se transforman completamente en biogás que abandona el

sistema. Sin embargo, el biogás generado suele estar contaminado con diferentes

componentes, que pueden complicar el manejo y aprovechamiento del mismo.

Etapas de la fermentación metanogénica 1. Hidrólisis

2. Etapa fermentativa o acidogénica

3. Etapa acetogénica

4. Etapa metanogénica

La primera fase es la hidrólisis de partículas y moléculas complejas (proteínas, carbohidratos y

lípidos) que son hidrolizadas por enzimas extracelulares producidas por los

microorganismos acidogénicos o fermentativos. Como resultado se producen compuestos

solubles más sencillos (aminoácidos, azúcares y ácidos grasos de cadena larga) que serán

metabolizados por las bacterias acidogénicas dando lugar, principalmente, a ácidos grasos

de cadena corta, alcoholes, hidrógeno, dióxido de carbono y otros productos intermedios.

Los ácidos grasos de cadena corta son transformados en ácido acético, hidrógeno y dióxido

de carbono, mediante la acción de los microorganismos acetogénicos. Por último, los

microorganismos metanogénicos producen metano a partir de ácido acético, H2 y CO2

Biogas

Un metro cúbico de biogás totalmente combustionado es suficiente para:

- Generar 6 horas de luz equivalente a un bombillo de 60 watt.

- Poner a funcionar un refrigerador de 1 m3 de capacidad durante 1hora.

- Hacer funcionar una incubadora de 1 m3 de capacidad durante 30 minutos.

- Hacer funcionar un motor de 1 HP durante 2 horas.

APLICACIONES DE LA DIGESTIÓN

ANAERÓBICA

El proceso de digestión anaeróbica ha sido aplicado a

muchos residuos humanos, agrícolas y de

transformación, por ejemplo: Lodo residual municipal

Estiércol de ganado vacuno lechero y de abasto

Estiércol de ganado ovino

Estiércol de ganado porcino

Estiércol de aves de corral

Residuos de la transformación de la papa

Residuos de molinos de aceite de oliva

Biodigestor - Aplicaciones A pequeña y mediana escala, el biogas ha sido utilizado en la mayor

parte de los casos para cocinar en combustión directa en estufas

simples. Sin embargo, también puede ser utilizado para

iluminación, y para calefacción. También ayuda a la transformación

de los desechos.

Mejora de la capacidad fertilizante del estiércol

Control de patógenos

Control de olores

El efluente se puede usar como alimento en lombricultura

Biodigestor - Parámetros Considerando que las bacterias son el ingrediente esencial del

proceso, por ello es necesario mantenerlas en condiciones que permitan asegurar y optimizar su ciclo biológico. Los principales parámetros en la producción del biogas son:

Temperatura

Concentración de la carga

Tiempo de retención

Relación Carbono/Nitrógeno/Fosforo

pH

Acidez/alcalinidad

Agitación

TEMPERATURA

CONCENTRACION DE LA CARGA

Optimo: 7%,9% ST

Húmedo: < 10-15 % ST

Semi-seco: entre 10-15 y 22-23%

Seco: > 22-23% (hasta 40%ST)

pH

Aceptable: 6,5-7,5

> 8,0: acumulación de compuestos alcalinos

Mantener el N amoniacal <2000 mg/l (inhibe flora microbiana)

< 6,0: descompensación fase acidogenica y metanogenica

Concentraciones < 200 mg/l de sulfuro con pH< 6,5 inhibe flora

microbiana

Evitar introducir compuestos tóxicos

Adicionar cal o agua con cal.

AGITACION

Aumenta contaco bacteria-materia prima

Termofilicos: agitacion continua

Mesofilicos: agitacion intermitente suave

Se obtiene por bombeo, agitacion mecanica con paletas,

recirculacion de biogas,

ACIDEZ/ALCALINIDAD

La alcalinidad es especialmente importante para la fermentación anaeróbica para maximizar la producción de metano. La alcalinidad representa la capacidad buffer del sistema, manteniendo en el digestor un pH estable y así se logra una actividad biológica óptima

El contenido de Ácidos Grasos Volátiles (AGV) -producto de las bacterias acidogénicas- como la alcalinidad, definen la estabilidad del proceso respecto a la disponibilidad de suficiente actividad metanogénica.

La acidez es sumamente importante en los sistemas secos y semisecos (de alta concentración) y con residuos provenientes de la fracción orgánica (compuesto por comida, frutas, vegetales y de jardín) ya que se incrementa considerablemente durante los primeros días por su rápida biodegradabilidad

TIEMPO DE RETENCION

varía con las diferentes tecnologías empleadas (seco o

húmedo – alta o baja carga), temperatura del proceso y la

composición de los residuos.

para biodigestores mesofílicos :25 y 40 días

para los termofílicos: 15 y 30 días.

RELACION C:N:P

indica la cantidad de nutrientes para el crecimiento de los

microorganismos.

La relación óptima es de 25:4:1

Una alta concentración de carbono respecto al nitrógeno, resulta

en una baja producción de biogás por el rápido consumo de

nitrógeno por parte de las bacterias metanogénicas.

Una baja relación provoca acumulación y posterior intoxicación

con amonio de las bacterias.

La fracción orgánica de los residuos urbanos ampliamente satisface

esta relación.

TIPOS DE DIGESTORES ANAERÓBICOS

Tipo de proceso

Continuo: permanentemente se está incorporando carga fresca al sistema y se descarga el digerido.

Discontinuo (batch): requiere de la descarga de productos una vez que se digirió todo el sustrato y nuevamente se lo carga para iniciar el ciclo con un sustrato fresco.

Número de etapa: según el número de reactores usados

Simple (Una): Todas las etapas de la digestión anaeróbica (hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis) ocurren en un solo digestor.

Dos: Las etapas de hidrólisis y acidogénesis ocurren en un reactor y la metanogénesis se desarrolla en uno distinto. Esto generalmente se realiza para evitar la acidificación del proceso, previniendo inhibición del proceso.

Múltiple (tres o más): Cada una de las etapas de la digestión anaeróbica se realiza en un reactor distinto. También se utiliza cuando el proceso es semicontinuo

TIPOS DE DIGESTORES ANAERÓBICOS Temperatura de operación:

Psicrofílicos: los microorganismos de este tipo se desarrolla entre 0 y 20°C pero los procesos se operan aproximadamente entre 10 y 20°C.

Termofílico: el rango de temperatura de trabajo es superior a los 40ºC, generalmente es de 55-60ºC.

Mesofílico: se trabaja entre los 25-37ºC de temperatura.

Tipo de carga: (sustrato)

FO segregada en fuente: cuando la fracción orgánica ya viene separada de los domicilios que son los generadores de la misma.

FO segregada mecánicamente: cuando la fracción orgánica viene de la fuente de generación (vivienda) sin separar a una planta de tratamiento en donde por diferentes métodos se separan las demás fracciones y la orgánica se la destina al tratamiento biológico

RSD (sin segregación): cuando todas las fracciones de los residuos domiciliarios son dispuestos en el reactor (similar a un relleno sanitario)

Tipo de biodigestores

Componentes de un digestor:

Reactor o contenedor de las materias primas a digerir

Contenedor de gas, con los accesorios para salida de

biogás,

Entrada o carga de materias orgánicas primas

Salida o descarga de materias orgánicas estabilizadas.

Biodigestor - Características Para una buena operación:

Hermético, para evitar fugas de gas.

Térmicamente aislado, para evitar cambios bruscos de

temperatura

Acceso para mantenimiento

Debe tener un medio para romper las natas que se forman

Modelo chino

0.15-0.20 v/v

(gas/digestor) por dia Poco eficiente para generar

biogas

30-60 dias de

retención

Modelo indiano

0.50-1 v/v

(gas/digestor) por dia

15-25 dias de

retención

Buena eficiencia en

producción de biogas

Biodigestor de polietileno

Criterios a tener en cuenta a) Inversión que se está dispuesto a realizar.

b) Energía que se quiere obtener.

c) La biomasa con que se cuenta para alimentar el digestor.

d) Las características del lugar en cuanto a profundidad del nivel freático o mantos rocosos.

e) El tamaño requerido del digestor

Elección del sitio para el biodigestor a) Debe estar cerca del lugar donde se consumirá el gas, pues las tuberías son caras

y las presiones obtenibles no permiten el transporte a distancias mayores de 30

metros.

b) Se debe encontrar cerca del lugar donde se recogen los desperdicios para evitar

el acarreo que tarde o temprano atentará contra una operación correcta del

biodigestor, e implicara mayores costos.

c) Debe estar en un lugar cercano al de almacenamiento del efluente y con una

pendiente adecuada para facilitar el transporte y salida del mismo.

d) Debe estar a por lo menos 10 – 15 metros de cualquier fuente de agua para

evitar posibles contaminaciones.

e) Debe ubicarse preferentemente protegido de vientos fríos y donde se mantenga

relativamente estable la temperatura, tratando de que reciba el máximo de

energía solar

FACTORES DE PRODUCCIÓN DE

BIOGÁS

FACTOR DE CARGA ORGÁNICA

TIEMPO MEDIO DE RESIDENCIA CELULAR

TIEMPO DE RETENCIÓN HIDRÁULICO

TEMPERATURA DE OPERACIÓN

FACTOR DE CARGA ORGÁNICA

Kg’s de Sólidos Volátiles (VS) añadidos por día por m3 de

capacidad del digestor

Los digestores de tasa estándar están entre 0.5 y 1.6 Kg/m3-

d

Los digestores de alta tasa están entre 1.6 y 6.4 Kg/m3-d

Dependen de las concentraciones de lodo

TIEMPO MEDIO DE RESIDENCIA

CELULAR

La cantidad de tiempo que las bacterias tienen que estar en contacto con la carga orgánica

El tiempo medio de residencia celular es la masa de células en el reactor dividida entre la masa de células agotada por día

Para digestores de régimen continuo o plug flow (de tipo tubular) sin remezclado, el tiempo medio de residencia celular es el mismo que el tiempo de retención hidráulico

La eficiencia de la reducción de los sólidos volátiles se ve enormemente afectada por el tiempo y la temperatura

TIEMPO DE RETENCIÓN HIDRÁULICO

El tiempo de retención hidráulico es el volumen del digestor

dividido entre la velocidad de flujo, V/Q

El tiempo de retención hidráulico debe ser lo

suficientemente largo para evitar el escape de biomasa activa

TEMPERATURA DE OPERACIÓN

Los organismo anaeróbicos, particularmente los

metanógenos, son fácilmente inhibidos incluso por

pequeños cambios en la temperatura.

Lo más común es operar digestores de alta tasa entre 30

y 38 grados C (mesofílicos)

PRODUCCIÓN DE BIOGÁS

En digestores de alta tasa, la producción de gas oscilará

típicamente entre 0.5 y 0.75 m3/Kg de sólidos volátiles

añadidos; o

De 0.75 a 1.12 m3/Kg de sólidos volátiles destruidos

CAPTACIÓN DE BIOGÁS

No se debe permitir que el gas y el aire se mezclen, o

puede resultar una mezcla explosiva

Las tuberías de gas y las válvulas de seguridad deben

incluir apagallamas

Cubierta flotante o cubierta fija para el digestor

Debe proveerse almacenamiento de gas

Pueden considerarse compresores de gas

USO DEL BIOGÁS

Un m3 de metano a temperatura estándar (STP) tiene un valor de calefacción de 35,800 kJ/m3

El gas de tanque digestor de alta tasa promedia el 65% del metano, el valor neto de calefacción es de 22,400 kJ/m3

Combustible para caldera

Combustible para motores de combustión interna

Agua caliente para calefacción del ambiente o afluente del digestor