Tratamiento Anaerobio Para Aguas Residuales(Trabajo Final1 )

TRATAMIENTO ANAEROBIO PARA AGUAS RESIDUALES Antecedentes del proceso anaerobio La digestión de la materia orgánica no es un fenómeno limitado a los reactores anaerobios. El hombre utilizó las capacidades de la naturaleza para fines prop propio ios: s: de depu pura ració ciónn de resid residua uales les,, est estab abili iliza zació ciónn de de dese sech chos os sólido sólidos, s, producción de metano. El proceso es también llamado metanogénesis porque se trat trataa de la tran transf sfor orma maci ción ón de la mater ateria ia orgá orgáni nica ca en me meta tano no.. La metanogénesis ocurre en ecosistemas muy diversos tales como pantanos, sedimentos marinos o lacustres, en ambientes extremos como en lugares hipertermofílicos y en los tractos de los animales. Por ejemplo, el rumen de los rumiantes se puede comparar a un verdadero reactor anaerobio metanogénico. Sin embargo cada uno de estos ecosistemas tiene características propias, lo que hace que puedan cambiar los mecanismos metanogénicos. Desde 1776, Alejandro Volta descubre la conversión de materiales húmedos, mediante la fermentación anaeróbica en gas metano. Este proceso ocurre en forma natural en diversos diversos ecosistemas, por ejemplo ejemplo en los rellenos rellenos sanitarios, en regiones profundas de la tierra, donde se forman grandes cantidades de gas natural y en el rumen de los animales. En épocas más recientes en 1940, la China y la India inician el desarrollo de la tecnología de la biodigestión anaeróbica, mediante el aprovechamiento de los desechos agrícolas y los estiércoles animales y excrementos humanos, con fines energéticos y producción de abono orgánico.

REACTORES ANAEROBIOS Un reactor químico es un equipo en cuyo interior tiene lugar una reacción química, estando éste diseñado para maximizar la conversión y selectividad de la misma con el menor costo posible. Si la reacción química es catalizada por  una enzima o por el organismo que la contiene, hablamos de biorreactores. biorreactores.

¿QUÉ ES UN REACTOR ANAEROBIO? El reactor anaerobio consiste en un equipo donde se lleva a cabo un proceso bacteriano que se realiza en ausencia de oxígeno. El proceso puede ser la dige digesti stión ón term termof ofíli ílica ca en la cu cual al el lodo lodo se ferm fermen enta ta en tanq tanque uess a un unaa temperatura de 55 °C o mesofílica, en la cual el proceso se lleva a cabo a una temperatura alrededor de 36 °C. En el reactor anaerobio se genera biogás conformado en una parte elevada de metano que se puede utilizar para la producción de energía dentro de la planta. En plantas de tratamiento grandes, se puede generar más energía eléctrica de la que las máquinas requieren. MICROBIOLOGÍA DE LA DIGESTIÓN ANAEROBIA

En el trat tratam amie ient ntoo biol biológ ógic icoo de ag agua ua resi residu dual al,, un unoo de los los prin princi cipa pale less compo compone nent ntes es es está tá en la ca capa paci cida dadd de dive divers rsos os mi micro croor orga gani nism smos os qu quee se encargan en degradar la materia orgánica, transformándola en biomasa fácil de retirar por decantación. Los tipos de microorganismos presentes en el proceso de tratamiento de agua residuales incluyen virus, hongos, algas, protozoarios, rotíferos, nematodos y bacterias. Los procesos bioquímicos de degradación que se dan en la digestión anaerobia son responsabilidad de las bacterias que se encuentran en los reactores y el efluente a tratar constituye el sustrato para los microorganismos responsables de la degradación de la materia orgánica en los sistemas s istemas anaerobios. Las bacterias se encargan encargan de acelerar acelerar de forma natu natural ral la descomposic descomposición ión de la ma mate teri riaa orgá orgánic nica, a, de degr grad adán ándo dola la ob obte teni nien endo do de es esta ta forma forma la en ener ergí gíaa necesaria para que lleven a cabo sus funciones vitales. Por lo que son de suma importancia

ETAPAS La mineralización de la materia orgánica por un sistema microbiológico mixto en condiciones fuertemente reductoras se denomina digestión anaerobia. El desarrollo de las bacterias anaerobias, se establece cuando: Las bacterias son incapaces de alimentarse de material orgánico presente en el agua a tratar, porr lo qu po quee se de debe benn de romp romper er los los po polílíme mero ross po porr me medi dioo de en enzi zima mass extracelulares a polímeros solubles o monómeros como el azúcar, aminoácidos y grasas superiores. Una vez haciendo esto esto los monómeros monómeros son utilizados por  los organismos para realizar sus funciones vitales La reacción general podría resumirse como: Biomasa ------- CH 4 + CO2  + H 2  S 2  + NH  3 + H  2  2S     

Entre las bacterias que forman parte de los digestores anaerobios se pueden pue den encont encontrar rar ana anaero erobia biass est estrict rictas as o fac facult ultati ativas vas,, tan tanto to Gram Gram ne negat gativa ivass (Bacteroides), como Gram positivas (Clostridium, Bifidobacterium, Lactobacillus, Streptococcus).

Existen 4 grupos o categorías de bacterias que participan en los pasos de conv co nver ersi sión ón de la ma mate teri riaa en su susp spen ensi sión ón ha hast staa mo molé lécu culas las se senc ncill illas as como como metano o dióxido de carbono y que van cooperando de forma sinergística: • •

Hidrolíticas Fermentativas

En el trat tratam amie ient ntoo biol biológ ógic icoo de ag agua ua resi residu dual al,, un unoo de los los prin princi cipa pale less compo compone nent ntes es es está tá en la ca capa paci cida dadd de dive divers rsos os mi micro croor orga gani nism smos os qu quee se encargan en degradar la materia orgánica, transformándola en biomasa fácil de retirar por decantación. Los tipos de microorganismos presentes en el proceso de tratamiento de agua residuales incluyen virus, hongos, algas, protozoarios, rotíferos, nematodos y bacterias. Los procesos bioquímicos de degradación que se dan en la digestión anaerobia son responsabilidad de las bacterias que se encuentran en los reactores y el efluente a tratar constituye el sustrato para los microorganismos responsables de la degradación de la materia orgánica en los sistemas s istemas anaerobios. Las bacterias se encargan encargan de acelerar acelerar de forma natu natural ral la descomposic descomposición ión de la ma mate teri riaa orgá orgánic nica, a, de degr grad adán ándo dola la ob obte teni nien endo do de es esta ta forma forma la en ener ergí gíaa necesaria para que lleven a cabo sus funciones vitales. Por lo que son de suma importancia

ETAPAS La mineralización de la materia orgánica por un sistema microbiológico mixto en condiciones fuertemente reductoras se denomina digestión anaerobia. El desarrollo de las bacterias anaerobias, se establece cuando: Las bacterias son incapaces de alimentarse de material orgánico presente en el agua a tratar, porr lo qu po quee se de debe benn de romp romper er los los po polílíme mero ross po porr me medi dioo de en enzi zima mass extracelulares a polímeros solubles o monómeros como el azúcar, aminoácidos y grasas superiores. Una vez haciendo esto esto los monómeros monómeros son utilizados por  los organismos para realizar sus funciones vitales La reacción general podría resumirse como: Biomasa ------- CH 4 + CO2  + H 2  S 2  + NH  3 + H  2  2S     

Entre las bacterias que forman parte de los digestores anaerobios se pueden pue den encont encontrar rar ana anaero erobia biass est estrict rictas as o fac facult ultati ativas vas,, tan tanto to Gram Gram ne negat gativa ivass (Bacteroides), como Gram positivas (Clostridium, Bifidobacterium, Lactobacillus, Streptococcus).

Existen 4 grupos o categorías de bacterias que participan en los pasos de conv co nver ersi sión ón de la ma mate teri riaa en su susp spen ensi sión ón ha hast staa mo molé lécu culas las se senc ncill illas as como como metano o dióxido de carbono y que van cooperando de forma sinergística: • •

Hidrolíticas Fermentativas

• •

Acetógenas Productoras de Hidrogeno (OPHA) Metanógenas acetoclásticas (MA) y Metanógenas hidrogenófilas

Las cuales descomponen la materia orgánica, como se muestra en la figura siguiente, en esta se puede ver los porcentajes de materia carbónacea que es utilizada para la formación de los compuestos.

En la fig figur uraa an ante teri rior or se es esqu quem emat atiza izann los los proc proces esos os sigu siguie ient ntes es qu quee serán serán estudiados más a fondo, al final de enlistarlos: 1.- Hidrólisis (ruptura) y fermentación fermentación a) Hidrólisis de polímeros (proteínas, carbohidratos y lípidos)

b) Ferme Fermenta ntación ción de amino aminoácid ácidos os

2.- Acetogénesis (producción de ácido acético) a) Oxidación Oxidación anaero anaerobia bia de de ácidos ácidos grasos grasos de cadena cadena larga y alcoholes alcoholes b) Oxidación Oxidación anaerobia anaerobia de de productos productos intermedios intermedios como como ácidos volátile volátiless

3.- metanogénesis (generación de metano) a) Conver Conversió siónn de aceta acetato to a m meta etano no b) Formación de metano a partir de CO 2 y H2 Las bacterias que llevan a cabo cada uno de los procesos anteriores son las que se presentan a continuación:

Grupo 1: Bacterias Hidrolíticas: Son un grupo de bacterias ( Clostridium, Proteus, Bacteroides, Bacillus, Vibrio,  Acetovibr  Acetovibrio, io, Staphyloc Staphyloccocc coccus us) qu quee romp rompen en los los en enla lace cess co comp mple lejo joss de las las prot proteí eína nas, s, ce celu lulo losa, sa, lign lignin inaa o líp lípid idos os en mo monó nóme mero ross o mo molé lécu cula lass co como mo aminoácidos, glucosa, ácidos grasos y glicerol. Estos monómeros pasarán al siguiente grupo de bacterias.

Clostridium

Grupo 2: Bacterias fermentativas acidogénicas: (Clostridium, Lactobacillus, Escherichia, Bacillus, Pseudomonas, Desulfovibrio, Sarcina). Convie Convierte rtenn azúcar azúcares, es, ami aminoá noácid cidos os y lípidos lípidos en ácidos ácidos orgán orgánicos icos (propiónico (propiónico,, fórmico, fórmico, láctico, butírico o succínico), succínico), alcoholes y cetonas cetonas (etanol, (etanol, metanol, glicerol, acetona), acetato, CO 2 y H2.

Escherichia

Lactobacillus

Las bacterias pueden ser facultativas o estrictas de crecimiento rápido. Se encargan de fermentar la glucosa para producir CO 2, H2 y una mezcla de acido acético, propiónico y butírico en función de la concentración de hidrógeno en el medio. C6H12O6+4H2O→2CH3-COO-+4H + 2HCO3- +4H2 ΔGO=-206 kj/mol C6H12O6+2H2O→CH3 CH2CH2- COO-+2HCO3- +3H++2H2

ΔGO=-254.6 kj/mol C6H12O6+2H2→2CH3-CH2- COO-+2H2O+2H+ ΔGO=-358.1 kj/mol

Durante Durante la acidogénes acidogénesis is la velocidad velocidad especifica de crecimiento crecimiento obtenida con glucosa es de 0.05 a 0.3h-1. Las bacterias del genero clostridium constituyen una fracción de la población responsable en la primera etapa existen otros grupos grupos bacter bacterian ianos os tale taless como como Bacteroide Bacteroides, s, Bacillus, Bacillus, Enterobact Enterobacteriac eriacene, ene, Pelobacter, Acetobacterium e Iliobacter. Debido a la rapidez de las reacciones hidroliticas hay una sobrecarga orgánica que produce AGV´s (Ácidos Grasos Volátil Volátiles) es) que acidif acidifican ican el sistema sistema.. Los ácidos ácidos grasos grasos voláti volátiles les produ producen cen alcoholes y ácidos dicarboxílicos. Grupo 3: Bacterias acetogénicas: Son bacterias sintróficas sintróficas (literalment (literalmentee “que comen juntas”), es decir, solo se desarrollan como productoras de H 2 junto a otras bacterias consumidoras de esta mol molécu écula. la. Syntrophobacter wolini i,i, es espe peci ciali aliza zada da en la ox oxida idació ciónn de propionato, y Syntrophomonas wolfei , que oxida ácidos grasos que tienen de 4 a 8 átomos de carbono, convierten el propiónico, butírico y algunos alcoholes en ac acet etat ato, o, hidró idróggen enoo y dióxi ióxido do de ca carb rbon onoo, el cu cuaal se utili tiliza za en la metanogénesis.

Syntrophobacter wolinii CH 3-CH  -  OH + CO2  ------ CH 3-COOH + 2H 2  2  2-OH 2 

 Acido propiónico + 2H 2  ------ Acido acético + CO2  + 3H 2  2O   2 

Los productos de la fermentación son convertidos en acetato, hidrógeno y dióxido de carbono por el grupo de Bacterias OPHA estas bacterias son inhibidas por el hidrogeno que producen y por tal razón viven en una forma sintrófica con la bacterias metanogénicas hidrogenófilas quienes se encargan de consumir hidrógeno. 4CH3 -CH2- COO-+3H2 ⟶4CH3 - COO-+ 3CH4+HCO3-+ H+ ΔGO=-102.4 kj/reacción 2CH3 -CH2-CH2- COO-⟶3CH3 - COO-+ 2CH4+2H+

ΔGO=-34 kj/reacción

La velocidad de crecimiento obtenida con butirato es de 0.015 h-1 y 0.013 h-1 con propionato como sustrato, la degradación del propionato a acetato se detiene cuando existen concentraciones de hidrógeno en el biogás de 50050000 ppm. Las bacterias Acetógenas transforman una mezcla a hidrógeno, dióxido de carbono y algunos sacáridos, en acetato.

H2 +2HCO3- +H + ⟶4CH3- COO-+4H2O ΔGO=-104.6 kj/reaccion

El crecimiento de las especies acetogénicas mesofílicas en presencia de ( H2 -CO2 ) es de 0.4 a 1.9 d -1. Las especies que involucran están • • • •

Clostridium formicoaceticumen  Acetobacterium wodii   Acetobacterium wieringae Clostridium acetic 

Grupo 4 Metanógenas: La digestión anaerobia de la materia orgánica en la naturaleza, libera del orden de 500-800 millones de toneladas de metano por  año a la atmósfera. Esto se produce en la profundidad de sedimentos o en el rumen de los herbívoros. Existen tanto bacterias Gram positivas como negativas. Estos microorganismos crecen muy despacio, con tiempo de generación que van desde los 3 días a 35ºC hasta los 50 días a 10ºC. Estas bacterias se dividen en 2 subgrupos: Metanógenos hidrogenotróficos (bacterias quimiolitótrofas que utilizan hidrógeno): CO2  + 4H 2 

Metanógenas acetotróficas:

CH 4 + 2H 2 O

 

Acético

4

+ CO2 .CH 

Sólo dos géneros, Methanosarcina (cocos grandes e irregulares en paquetes, Gram positivos) y Methanothrix  (Bacilos alargados, Gram negativos) tienen especies acetotróficas, aunque las primeras pueden utilizar también dióxido de carbono e hidrógeno como sustrato. Todas las bacterias metanogénicas se incluyen en el dominio  Archaea.  Acido butírico + 2H 20  

2 Acido acético + 2H 2 

Las bacterias metanogénicas con las únicas que pueden catabolizar la reacción a partir de acetato e hidrógeno para dar como producto metano y dióxido de carbono en ausencia de energía luminosa o aceptores de electrones exógenos como oxígeno, nitritos y sulfatos. Las bacterias metanogénicas contienen coenzimas como la M (CoM), F-420, F-432 y F-430. La CoM es un acido que está en la síntesis de metano como portadora del grupo metilo, a través de un metil realizando la función de intermediaria. Las bacterias están compuestas de nutrientes como Nitrógeno, Fósforo, y Azufre en concentraciones normales. 1. Bacterias metanogénicas acetoclásticas: Este tipo de bacterias producen

metano partir del acido acético, alterando el pH debido a la eliminación del acido acético produciendo dióxido de carbono que al diluirse forma HCO3CH3- COO-+ H2O ⟶ 2CH4 + HCO3-

ΔGO=-31.0 kj/mol

Durante la metanogénesis la velocidad de crecimiento es 0.014 h-1 esta reacción es de suma importancia para la digestión, produce el 73 % del metano Methenosarcina thermofilamazei Methanothrix soehngeniiconcilii 2. Bacterias metanogénicas hidrogenófilas: Utilizan al hidrógeno para

reducir al dióxido de carbono que proviene de la etapa de la fermentación del metano CO2 + 4H2 ⟶ CH4 + 2H2O

ΔGO=-131 kj/reacción

La velocidad de crecimiento obtenida con hidrógeno es de 0.06 h-1 durante la metanogénesis esta reacción tiene una doble función por un lado produce metano y por el otro elimina el hidrógeno gaseoso, lo que permite generar 

NADH+ lo que ayuda a la síntesis del acido acético, los géneros más representativos son: • • •

Methanobrevibacter arboriphilicus Methanospirillum hungate Methanobacterium formicicum.

BACTERIAS SULFATO-REDUCTORAS (SR). Cuando hay sulfatos hay bacterias llamadas sulfato-reductoras los cuales se encargan de reducir los sulfatos del agua residual a sulfuros. SO4- + 4H2 + 2H+ ⟶ H2S + 4H2O

Estas bacterias utilizan al sulfato como aceptor final de electrones y la materia orgánica como donador. Puede competir con las metanobacterias impidiendo la formación del metano, las sulfato-reductoras utilizan acido pirúvico y láctico

sulfatobacterias CH3- COO- + SO4- + 2H+ ⟶ H2S + 2HCO3ΔGO=-113 kj/mol Metanobacterias CH3- COO- + H2O ⟶ CH4 +HCO ΔGO=-31 kj/mol

La más favorecida es la sulfato-reductora. Sin embargo en un reactor  anaerobio eta reacción no se lleva a cabo a menos que los sulfatos se encuentren en concentraciones muy elevadas en este caso el H2S puede provocar problemas de corrosión en las reacciones anaerobias.

REACTORES BIOLOGICOS ANAEROBIOS Los reactores biológicos se dividen en dos generaciones, de acuerdo a los tipos de cambios que se lleven en su interior. En este capítulo solo se estudiaran los reactores biológicos anaerobios. Para poder entender más la información presentada, se debe de tener  conocimiento de los siguientes conceptos: 1) Tiempo de Retención Hidráulica (TRH): Es la relación entre el volumen y la media de la carga. 2) Tiempo de Retención de Sólidos (TRS): Representa la media del tiempo de retención de los microorganismos en el biodigestor. 3) SSV: Sólidos Suspendidos Volátiles 4) SS: Sólidos en Suspensión 5) VD: Volumen del biodigestor 

Existen diferentes maneras de clasificar los reactores anaerobios que procesan aguas residuales, pero la forma más general es agruparlos y clasificarlos en biodigestores de primera generación y de segunda generación tal como lo muestra la tabla:

De 2da generación De 1ra generación   

Tanques sépticos Lagunas anaerobias Laguna facultativa

Con crecimiento en soporte   

 

 

Lecho fijo Lecho fluidizado o expandido Filtro anaerobio con carbón activado Inmovilización de microorganismos Asociado a partículas suspendidas Reactor de contacto Columna de plato

Con crecimiento disperso    

      

Lodo activado anaerobio UASB EGSB Circulación interna (CSTR) Con ascensión de gas Modificado de alta velocidad Membrana Flujo horizontal con deflectores Dos etapas Percoladores en serie Tubular inclinado

A continuación se estudiaran los reactores más utilizados.

REACTORES DE 1RA GENERACIÓN : Son aquellos que se basan en cambios físicos como la filtración, sedimentación, decantación. a)

TANQUE SÉPTICO.

Es una caja rectangular de uno o varios compartimientos que reciben las excretas y las aguas grises. Se construyen generalmente enterrados, utilizando el bloque revestido con mortero o en concreto. El tanque séptico tiene como objetivo reciclar las aguas grises y las excretas para eliminar de ellas los sólidos sedimentables en uno a tres días.

El líquido que sale del tanque séptico tiene altas concentraciones de materia orgánica y organismos patógenos por lo que se recomienda no descargar dicho líquido directamente a drenajes superficiales sino conducirlo al campo de oxidación para tratamiento. Dicho líquido recibe un tratamiento especial, al igual que los lodos de loa procesos anaerobios, pues su carga orgánica es muy grande y podría contaminar bastante si se desecha a drenajes o si se vierte a efluentes de agua, dicho tratamientos de lodos, se retoma más adelante. Los tanques sépticos deben ser herméticos al agua, durables y estructuralmente estables. El concreto reforzado y el ferro cemento son los materiales más adecuados para su construcción. Al tanque séptico se le deben colocar tapas para la inspección y el vaciado. Se deben tomar precauciones para que salgan los gases que se producen dentro del tanque. Para esto se puede colocar un tubo de ventilación. b)

LAGUNAS ANAEROBICAS: Las lagunas anaerobias o anaeróbicas son las más pequeñas dentro del sistema de tratamiento de aguas residuales por lagunas de estabilización. Por lo general tienen una profundidad entre 2.00 y 5.00 metros y reciben cargas orgánicas volumétricas mayores a 100 g DBO5/m3 d. Estas altas cargas orgánicas producen condiciones anaerobias estrictas (oxígeno disuelto ausente) en todo el volumen de la laguna. Las lagunas anaeróbicas funcionan de modo similar a los tanques sépticos abiertos y trabajan en forma óptima en los climas calientes, tropicales y subtropicales, dado que la intensidad del brillo solar y la temperatura ambiente son factores clave para la eficiencia en los procesos de degradación. Uno de los problemas que generan estas lagunas son los olores que emanan de ellas. Los diseñadores siempre han mostrado preocupación por  este tema. No obstante, los problemas de olor pueden minimizarse con un

diseño adecuado de las unidades, siempre y cuando la concentración de S2O4-en el agua residual sea menor a 500 mg/l.

Laguna Anaeróbica (superior)

REACTORES DE 2ª GENERACIÓN: Son aquellos que se basan en tratamientos biológicos o químicos como por ejemplo los UASB o EGSB. a)

Reactor Anaerobio de Flujo Ascendente (UASB ): El flujo ascendente del agua mantiene en suspensión a la masa bacteriana que forma gránulos o fóculos de fácil sedimentación, permitiendo un buen contacto entre las partículas de materia orgánica y las bacterias, facilitando su digestión. Se pueden manejar cargas orgánicas superiores a 4 Kg/m3 d con agua desde 600 mg./l hasta 50,000 mg./l de DBO 5

El reactor UASB por sus siglas en ingles (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) fue desarrollado en la década de los 70 por el Profesor Lettinga y su equipo de la Universidad Agrícola de Wageningen – Holanda. Es el sistema más usado de tratamiento de aguas residuales de alta tasa. El concepto UASB nació del reconocimiento de que el material de soporte inerte para la fijación de la biomasa no era necesario para mantener altos niveles de fangos activos en el reactor. En cambio, el concepto UASB se basa en los altos niveles de retención de la biomasa mediante la formación de gránulos de lodos. Las características principales para lograr el desarrollo de lodos granulares son, en primer lugar, mantener un régimen de flujo ascendente en el reactor  que permita la selección de los microorganismos de los áridos y en segundo

lugar establecer la adecuada separación de los sólidos, líquidos y gases, evitando lavado de gránulos de lodos. El proceso consiste en un tanque de sección normalmente rectangular, el cual se alimenta a través de un sistema de tuberías de distribución del agua residual a partir de su sección inferior. El líquido a depurar asciende con una pequeña velocidad, poniéndose en contacto con una altísima concentración de lodos anaeróbicos (semilla biológica), lecho que es conocido como "manto de lodos" por su capacidad de expandirse debido al flujo ascendente, sin ser evacuado del reactor. En los procesos de alta tasa, tal es el caso de las modalidades de lecho fluidizado y expandido, en las que se requiere de un sedimentador final con recirculación de lodos, similar a los sistemas aeróbicos de lodos activados. El manto de lodos es el corazón biológico del proceso, pues en él se lleva a cabo la transformación bioquímica de la materia orgánica contaminante. Para ello se debe alimentar el reactor con importantes cantidades de lodos anaeróbicos maduros, antes de la puesta en operación del proceso. De esta forma, se propicia la maduración de estos lodos a través de varios meses de especiales cuidados (arranque del reactor), hasta lograr su transformación en pequeños gránulos anaeróbicos compactos, de alto poder estabilizador. El caudal afluente ocasiona la expansión del manto de lodos, de tal forma que se presentan simultáneamente procesos de filtración biológica, absorción y adsorción, al mismo tiempo que decantación. Para evitar el arrastre de biomasa, se incorporan separadores de fases (gas, líquido, sólido) en la parte superior del tanque, a partir de las cuales es factible reutilizar el biogás, incrementando el tiempo de retención celular. Posiblemente el mayor problema operacional de este tipo de reactor descansa en su "arranque" o puesta en marcha, para lo cual se debe alimentar  inicialmente con un caudal controlado menor que el de diseño, con estricto control del pH, de la presencia de Ácidos Grasos Volátiles (AGV), del crecimiento neto celular medido en términos de Sólidos Suspendidos Volátiles, de la relación entre la biomasa activa y la capacidad de digestión biológica de la materia orgánica, medida en términos de la Actividad Metanogénica Específica (AME), de las características de sedimentabilidad del manto medido a través del Índice Volumétrico de Lodos (IVL), entre otros.

EGSB: Tratamiento de altas velocidades ascensionales y equipadas con un sedimentador para recuperar la bacteria que haya salido del reactor  con el efluente, puede manejar cargas orgánicas mayores a 10 kg./m 3.d y agua con 10,000 a 50,000 mg./l de DBO5. Un reactor de lodos granulares expandido (EGSB) es una variante del concepto UASB. La característica distintiva es que tiene una tasa más rápida de la velocidad de flujo ascendente y está diseñado para que el agua residual pase a través del lecho de lodos.

El aumento en el flujo permite la expansión parcial (fluidificación) de la cama de lodos granulares, la mejora de lodos de aguas residuales de contacto así como la segregación de pequeñas partículas suspendidas inactivas desde el lecho de lodos. La velocidad de aumento del flujo se realiza ya sea mediante la utilización de reactores de alto, o mediante la incorporación de un reciclaje de aguas residuales (o ambos). El diseño es apropiado para EGSB de baja resistencia para aguas residuales solubles (menos de 1 a 2 g DQO soluble / l) o para las aguas residuales que contienen pocas partículas biodegradables en suspensión o inertes que no se debe acumular en el lecho de lodos.

b)

REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO: El principio de funcionamiento del flujo está basado en las combinaciones de fluido dinámicas de sistemas fluidizados y móviles.

ESQUEMA DE UN REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO

c) Reactor de mezcla continua (CSTR) Este tipo de reactores empezó a desarrollarse a partir de que las experiencias realizadas en laboratorio demostraron que el calentamiento, la mezcla y la alimentación uniforme, favorecían el proceso de digestión. Como consecuencia de estas mejoras, el volumen del digestor se reduce. Son reactores relativamente simples, calentados, de mezcla completa y sin recirculación de parte del influente digerido. En este caso, el TRH es también igual al TRS. Para un tratamiento efectivo del influente, este tipo de reactores requiere largos TRH, ya que carecen de medios específicos de retención de la biomasa activa. Con la reducción del TRH en un digestor de mezcla completa, la cantidad de microorganismos dentro del digestor también disminuye, ya que son lavados con el efluente. El tiempo de retención hidráulico crítico (TRC) se alcanza cuando las bacterias son extraídas del reactor a una velocidad mayor a la que éstas se reproducen. Dado que las bacterias formadoras de metano son de más lento crecimiento que las bacterias formadoras de ácidos, las primeras son consideradas como el componente limitante en el proceso de digestión anaerobia. Necesitan largos TRS (y, por lo tanto, largos TRH), con valores mínimos alrededor de 3 a 5 días a 35 ºC. Para asegurar el funcionamiento del proceso, los TRH suelen variar entre 10 y 30 días a 35 ºC.

Las características operacionales de este proceso son: • • • • •

Densidad de carga orgánica (Kg DQO/m3/d): 1 - 6. Concentración en el interior (g SSV/l): 2 - 5. Concentración en el efluente (g SS/l): 25 - 100. Tiempo de retención hidráulico (d): 10 - 30. Tiempo de arranque (d): 30 - 90. Estos reactores se aplican, básicamente, en el tratamiento de lodos de aguas residuales urbanas, y de influentes con estiércoles y aquellos provenientes de actividades agrícolas o agroindustriales.

Esquema de un reactor anaerobio CSTR

a) Reactor de contacto (ACP) La primera mejora del proceso anaerobio consistió en la separación del TRS del TRH. Separando el TRS del TRH, el volumen del digestor se reduce y la densidad de carga orgánica o la velocidad de carga orgánica a tratar se incrementan. Por lo tanto, aguas residuales relativamente cargadas, pueden ser tratadas a bajos TRHs, pero manteniendo el TRS requerido para el desarrollo de bacterias metanogénicas. En este sentido, el primer proceso anaerobio que separó el TRS del TRH fue la digestión de contacto anaerobia, similar en su configuración al sistema de fangos activados. Este proceso comprende la alimentación continua de un reactor de mezcla completa seguido de un clarificador o separador sólido/líquido. Parte del lodo digerido y sedimentado se recircula al digestor, donde se mezcla con el influente no digerido. La reinoculación de una biomasa bien aclimatada permite mantener óptimas condiciones de funcionamiento del proceso, sobre todo en aguas residuales industriales. Estas a diferencia de las urbanas, no contienen generalmente una alta proporción de microorganismos. En este proceso la operación esencial es la separación sólido/líquido, lo cual ofrece serios problemas, dadas las características de este tipo de lodos, y el continuo desprendimiento de burbujas de gas que dificulta enormemente el proceso de separación, por lo que hay que recurrir  previamente a sistemas de desgasificación. El uso de la técnica de stripping o el enfriamiento del influente digerido en su camino hacia el clarificador puede disminuir este problema. Una reducción en la temperatura de 35 a 15 ºC detiene la producción de gas en el clarificador 

y favorece la floculación de los sólidos. Esto último también puede conseguirse mediante el uso de coagulantes, tales como el hidróxido sódico seguido de cloruro férrico. También se utilizan membranas de ultrafiltración para conseguir una alta retención celular. Los parámetros típicos de operación de este proceso son: • • • • •

Densidad de carga orgánica (Kg DQO/m3/d): 2 - 10. Concentración en el interior (g SSV/l): 5 - 10. Concentración en el efluente (g SS/l): 0,5 - 20. Tiempo de retención hidráulico (d): 1 - 5. Tiempo de arranque (d): 20 - 60.

Esquema de un reactor de contacto

a) Filtro anaerobio En un sistema de filtro anaerobio (también llamado sistema de película fija o de lecho fijo) la biomasa bacteriana se encuentra, en parte, inmovilizada en un material de soporte fijo en el reactor biológico, y en parte en suspensión entre los espacios vacíos que restan (la mayor  proporción). El flujo del influente es normalmente vertical, bien ascendente bien descendente, y el propio material de relleno actúa como separador de gas, que se recoge en la parte superior, proporcionando zonas de reposo para la sedimentación de los sólidos que se encuentran en suspensión. La rugosidad del material de soporte, su grado de porosidad, así como el tamaño del poro, afecta a la tasa de colonización de la población microbiana. Los materiales utilizados pueden ser ladrillos, granito, vinilos, poliésteres, poliuretanos, materiales cerámicos, de vidrio.

En los reactores de flujo ascendente la mayor parte de la biomasa bacteriana se acumula como flóculos, mientras que en los de flujo descendente, la biomasa está casi totalmente retenida en las paredes del reactor y el material de soporte. El filtro anaerobio es aconsejable para aguas residuales con carga orgánica moderada soluble o que se degrade fácilmente en compuestos solubles y, también, para aguas con elevada carga orgánica soluble que pueda ser diluida con recirculación de efluente. Los filtros con flujo descendente no pueden usarse para tratar aguas con fracciones apreciables de sólidos en suspensión, ya que pueden provocar  problemas de atascos. Los parámetros típicos de operación de este proceso son: • • • • •

Densidad de carga orgánica (Kg DQO/m3/d): 0,15 - 30. Concentración en el interior (g SSV/l): 10 - 20. Concentración en el efluente (g SS/l): 0 - 10. Tiempo de retención hidráulico: 0,5 - 2. Tiempo de arranque (d): 20 - 70.

Esquema de un filtro anaerobio a) Reactor de contacto con material de soporte (CASBER)

Este proceso es esencialmente idéntico al contacto interno, peor con la incorporación de un material inerte en el digestor. En este caso, la adición de material de soporte es extremadamente limitada en comparación con la cantidad usada comúnmente en, por  ejemplo, los reactores de lecho fluidizado. Las partículas utilizadas suelen tener un diámetro entre 5 y 25 mm, tienen una baja velocidad de sedimentación y, por lo tanto, pueden mantenerse en suspensión con un bajo grado de agitación. Un pequeño porcentaje de bacterias es soportado en estas partículas, que pueden ser arenas, plásticos, etc., mientras que un porcentaje sustancial de la biomasa activa permanece como flóculos en suspensión. Como en el caso del sistema de contacto interno, la fase principal del proceso es la separación sólido/líquido. Los parámetros típicos de operación de este proceso son: • • • • •

Densidad de carga orgánica (Kg DQO/m3/d): 4 - 25. Concentración en el interior (g SSV/l): 5 - 15. Concentración en el efluente (g SS/l): 0,5 - 10. Tiempo de retención hidráulico (d): 0,25 - 2. Tiempo de arranque (d): 20 - 60.

Este proceso es extraordinariamente adecuado para aguas residuales con alta carga de residuos fácilmente hidrolizables, como las de la industria alimentaria. a) Biodiscos El proceso de tratamiento mediante Biodiscos es también conocido como reactor biológico rotativo de contacto, y consiste una serie de discos circulares de poliestireno, o cloruro de polivinilo, situados sobre un eje, a corta distancia de uno de otros. Los discos están parcialmente sumergidos en el agua residual y giran lentamente en el seno de la misma. En el funcionamiento de un sistema de este tipo, los crecimientos biológicos se adhieren a la superficie de los discos, hasta formar una película biológica sobre la superficie mojada de los mismos. La rotación de los discos pone a la biomasa en contacto, de forma alternativa, con la materia orgánica presente en el agua residual y con la atmosfera, para la absorción del oxigeno, en este proceso se lleva a cabo un tratamiento facultrativo, la zona próxima a la atmosfera realiza una proceso aerobio pero la mayor parte realiza un proceso anaerobio. La rotación del disco induce la transferencia de oxigeno y mantiene la biomasa en condiciones aerobias. La rotación también es el mecanismo de eliminación de exceso de sólidos en los discos por medio de los esfuerzos cortantes que origina y sirve para mantener en suspensión los sólidos arrastrados, de modo que puedan ser transportados desde el reactor hasta el clarificador.

Esquema de las partes internas de un Biodisco.

b)

En los rectores de 1ª Generación, el tiempo de retención hidráulico (TRH) es igual al tiempo de retención de sólidos (TRS). En los de 2ª Generación, el tiempo de retención de sólidos es mayor que el tiempo de retención hidráulico y como consecuencia, el proceso es mucho más eficiente. Los sistemas de tratamientos anaerobios de 2ª Generación más aplicados a escala real son los siguientes: reactor o biodigestor anaerobio de flujo ascendente con manto de lodo (UASB), reactor anaerobio de lecho fijo, proceso de contacto anaerobio o biodisco anaerobio o contactor rotatorio anaerobio, reactor anaerobio con circulación interna (IC), reactor anaerobio con lecho granular expandido (EGSB), reactor híbrido, lecho fluidizado y/o expandido. Los reactores biológicos utilizados para el tratamiento de aguas residuales, también pueden clasificarse de acuerdo al tipo de crecimiento microbiano, el de lecho fijo y crecimiento libre o suspendido. 1. Lecho fijo, formando biopelículas: La biomasa está constituida por bacterias que forman una película sobre un soporte inerte. 2. Crecimiento libre o suspendido: Depende de los microorganismos que son formadores de gránulos o flóculos, este tipo de bacterias, crecen en suspensión y forman estructuras que les permitan permanecer en el reactor y no ser  lavadas por el efluente, la eficiencia depende de la capacidad del inoculo para formarlas.

Reactores con la biomasa no unida a soporte: •

• • • • •

Reactor anaerobio de flujo ascendente con lecho/manto de lodos (UASB) Reactor cama de lodos granulares expandido (EGSB) Reactor de mezcla completa (CSTR) Reactor de contacto (ACP) Reactor anaerobio por lotes en serie (ASBR) Reactor anaerobio con deflectores (ABR)

Reactores con la biomasa unidad a un soporte: En ellos la biomasa se encuentra inmovilizada en, o alrededor de, partículas o superficies inertes formando biopelículas. • • • •

Filtros anaerobios (AF) Biodiscos (ARBC) Reactores de contacto con soporte (CASBER) Reactores de lecho fluido y lecho expandido (FB/EB)

REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO Es una de las tecnologías más importantes en el campo de la ingeniería química. Esta tecnología nació en Estados Unidos en 1940 cuando se produjo la revolución tecnológica de la refinación del petróleo y la creación de industrias

químicas. La aplicación industrial de esta tecnología en tratamiento de aguas residuales tiene tan solo 20 años. En los comienzos de los años 80 habían alrededor de 80 plantas instaladas en Europa y Norteamérica, para este tiempo, era el mayor y más significativo desarrollo efectuado en el tratamiento de aguas residuales. Después de 1990 la utilización de la tecnología de Lechos Fluidizados ha crecido extraordinariamente en Europa, Norteamérica y Japón. Actualmente está introduciendo esta tecnología en Latinoamérica con buenos resultados. El proceso para los reactores de Lecho Fluidizado tiene diferentes configuraciones dependiendo de la manera en que los líquidos y gases se mueven en el reactor. Estos fluidos se mueven contracorriente, con la corriente de agua residual descendiente y la corriente de aire ascendente. El reactor  consiste en una columna cilíndrica dotada de líquido y distribuidores o inyectores de gas colocados en la base. El tratamiento se realiza usando microorganismos adosados a medios de soporte. La corriente de agua contaminada y aire crea una fuerza que mantiene en suspensión las partículas sólidas o medios de soporte colocados previamente en el lecho. Así, estos sólidos en suspensión reciben el nombre de "Lechos Fluidizados" por el comportamiento "como si fuera un fluido" de las partículas en suspensión. La población microbiana degrada aeróbicamente los contaminantes; produciendo dióxido de carbono, agua y biomasa. La biomasa se asienta sobre un decantador de donde se retira en forma de lodo. Los medios de soporte son sólidos de gran área superficial que sirven para el adosado a las bacterias. En el caso del tratamiento de aguas residuales, el aire inyectado se disuelve en el agua y provee el oxígeno requerido por los microbios que se alimentan de los contaminantes. Los parámetros típicos de operación de este proceso son: Densidad de carga orgánica (Kg DQO/m3/d): 5 - 50. Concentración en el interior (g SSV/l): 10 - 40. Concentración en el efluente (g SS/l): 0 - 5. Tiempo de retención hidráulico (h): 1 - 10. Tiempo de arranque (d): 30 - 70. La mayor parte de las ventajas atribuibles a este sistema derivan de la elevada concentración de biomasa activa sobre diminutas partículas de soporte, las elevadas tasas de recirculación, el máximo contacto entre la biopelícula y el líquido a tratar, y la minimización de los problemas de la difusión. • • • • •

Aplicaciones: Muchas de las aplicaciones de los Lechos Fluidizados se usan en tratamientos de efluentes en industrias químicas. Las industrias farmacéuticas, químicas y las refinerías son las que generan mayores componentes tóxicos estables (componentes refractarios) que son muy difíciles de degradar biológicamente. Ventajas: 1. Amplio rango de aplicaciones y condiciones de operación 2. Versatilidad: Procesan el agua química y biológicamente

3. Reactores eficientes con pequeños volúmenes y efluentes de alta calidad 4. Bajos costes de capital, y de operación y mantenimiento 5. Muy bajos requerimientos de terreno: 2 a 3 veces inferiores a los de las plantas de lodos activados 6. Ausencia de partes móviles 7. Minimización de los fallos mecánicos 8. Fáciles de construir y ensamblar  9. Ausencia de ruidos y de olores 10.Producción de lodos muy inferior a la de los sistemas de lodos activados 11.Alta estabilidad respecto a los choques hidráulicos y tóxicos

Esquema de un reactor de lecho fluidizado

PARAMETROS A CONSIDERAR PARA LLEVAR A TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES ANAEROBIAS.

CABO

EL

Temperatura: Los niveles de reacción química y biológica normalmente aumentan con el incremento de la temperatura. Para los biodigestores de biogás esto es cierto dentro de un rango de temperatura tolerable para diferentes microorganismos. Las altas temperaturas causan una declinación del metabolismo, debido a la degradación de las enzimas; y esto es crítico para la vida de las células. Los microorganismos tienen un nivel óptimo de crecimiento y metabolismo dentro de un rango de temperatura bien definido, particularmente en los niveles superiores, los cuales dependen de la termoestabilidad de la síntesis de proteínas para cada tipo particular de microorganismo. Las bacterias metanogénicas son más sensibles a los cambios de temperatura que otros organismos en el biodigestor. Esto se debe a que los demás grupos crecen más rápido, como las acetogénicas, las cuales pueden alcanzar un catabolismo sustancial, incluso a bajas temperaturas. Existen tres rangos de temperatura para la digestión de residuales, el primero es el mesofílico (de 20 a 45 0C), el segundo es el termofílico (por encima de 45 0C). El óptimo puede ser de 35 0C a 55 0C. La ventaja de la digestión termofílica es que la producción de biogás es aproximadamente el doble que la mesofílica, así que los biobiodigestores termofílicos pueden ser la mitad en volumen que los mesofílicos, manteniendo su eficiencia general. Se han realizado numerosos trabajos sobre la digestión termofílica en países templados. Sin embargo, se requieren considerables cantidades de energía para calentar los residuales hasta 55 0C. El tercer rango (psicrofílico) ocurre entre los 10 y 25 0C. Existen algunas restricciones para el uso de esta temperatura en la digestión anaerobia, como son la necesidad de utilización de: reactores anaerobios de cama fija (UASB), inóculos mesofílicos, un tiempo de retención alto y mantener una acidificación baja.

Nutrientes: Además de una fuente de carbono orgánico, los microorganismos requieren de nitrógeno, fósforo y otros factores de crecimiento que tienen efectos complejos. Los niveles de nutrientes deben de estar por encima de la concentración óptima para el metano bacterias, ya que ellas se inhiben severamente por falta de nutrientes. Sin embargo, la deficiencia de nutrientes no debe ser un problema con los alimentos concentrados, pues estos aseguran en más que suficientes las cantidades de nutrientes. Por otra parte, la descomposición de materiales con alto contenido de carbono ocurre más lentamente, pero el período de producción de biogás es más prolongado. Los materiales con diferentes relaciones de C: N difieren grandemente en la producción de biogás. Por ejemplo, la relación de C: N en residuales porcinos es de 9 a 3; en vacunos de 10 a 20; en gallinas de 5 a 8; para humanos es de 8 y para residuos vegetales es de 35. La relación óptima se considera en un rango de 30:1 hasta 10:1, una relación menor de 8:1 inhibe la actividad bacteriana debido a la formación de un excesivo contenido de amonio. Toxicidad: Los compuestos tóxicos incluso en bajas concentraciones, afectan la digestión y disminuyen los niveles de metabolismo. Las bacterias metanogénicas son generalmente las más sensibles, aunque todos los grupos pueden ser afectados. Un nutriente esencial también puede ser tóxico si su concentración es muy alta. En el caso del nitrógeno, mantener un nivel óptimo para garantizar un buen funcionamiento sin efectos tóxicos es particularmente importante. Por ejemplo, en alimentos de alto contenido de proteína para el ganado, un desbalance por  altos contenidos de nitrógeno y bajas disponibilidades energéticas, causa toxicidad por generación de amonio. Usualmente, el nivel de amonio libre debe ser mantenido en 80 ppm. Sin embargo, una concentración más alta, alrededor  de 1500-3000 ppm, puede ser tolerada. Se debe tener precaución para evitar  la entrada al biodigestor de ciertos iones metálicos, sales, bactericidas y sustancias químicas sintéticas. Se reportado la reducción de gas cuando son utilizadas excretas de animales tratados con antibióticos. Nivel de Carga Este parámetro es calculado como la materia seca total (MS) o materia orgánica (MO) que es cargada o vertida diariamente por metro cúbico de volumen de biodigestor. La MO o sólidos volátiles (SV) se refiere a la parte de la MS o sólidos totales (TS), que se volatilizan durante la incineración a temperaturas superiores a 500 0C. Los SV contienen componentes orgánicos, los que teóricamente deben ser convertidos a metano. Los residuales de animales pueden tener un contenido de MS mayor del 10 % de la mezcla agua estiércol. Según los requerimientos operacionales para un reactor anaerobio, el contenido de MS no debe exceder el 10 % de la mezcla agua estiércol en la mayoría de los casos. Por eso, los residuales de granjas se deben diluir antes de ser tratados. La eficiencia de la producción de biogás se determina generalmente expresando el volumen de biogás producido por unidad de peso de MS o SV. La fermentación de biogás requiere un cierto rango de concentración de MS que es muy amplio, usualmente desde 1% al 30%. La concentración óptima depende de la temperatura. En China, la concentración óptima es del 6% en el verano a temperaturas entre 25-27 0C y entre 10 y 12 % en la primavera a temperaturas de 18-23 0C.

Tiempo de retención Existen dos parámetros para identificar el tiempo de retención de las sustancias en el biodigestor: 1. El tiempo de retención de los sólidos biológicos (TRSB) que se determinan dividiendo la cantidad de MO o SV que entra al biodigestor  entre la cantidad de MO que sale del sistema cada día. El TRSB es asumido para representar la media del tiempo de retención de los microorganismos en el biodigestor. 2. El tiempo de retención hidráulico (TRH) es la relación entre el volumen del biodigestor (VD) y la media de la carga diaria. Estos parámetros son importantes para los biodigestores avanzados de alto nivel, los cuales han alcanzado un control independiente del TRSB y del TRH a través de la retención de la biomasa. La medición del TRH es más fácil y más práctico que el TRSB al nivel de las granjas.

INHIBICIÓN DE LAS BACTERIAS METANOGÉNICAS: pH - rango para el desarrollo: 6-8 (crecim.óptimo @ 6.6-7.4) Ac.volátiles – si pH sale de rango las metanog.se inhiben pero las acidogénicas continúan su actividad (se generan >> ác.volátiles) y el reactor se acidifica Alcalinidad – importante ya que controla las variaciones de PH si no fuera suficiente se dosifica alcalinizante Tóxicos – las sales (Na, K, etc), el amonio y los sulfuros, en altas concentraciones, así como los metales pesados pueden inhibir el proceso. Sulfuro de hidrógeno: Forma más tóxica en que se puede encontrar el sulfuro.

H2S

H+ + HS-

2H+ + S2-

NOTA: esta parte quizá se modifique con la nueva investigación del dimensionamiento de reactores, y después de esta parte se meterá el tratamiento de lodos

Criterios a tomar en cuenta para proponer un sistema de tratamiento de aguas residuales municipales Diseño del proceso

Para poder utilizar las ecuaciones de diseño de reactores es necesario tener  caracterizado el comportamiento fluido dinámico del reactor, los fenómenos de transporte en las distintas fases y la cinética. Los reactores pueden operar en discontinuo o en continuo y en este último caso identificamos como casos ideales el reactor de mezcla completa y el tubular flujo pistón.

Balance de Masa del Reactor ideal discontinuo Entrada=Salida+Desaparición+Acumulación

Balance de Masa del Reactor Ideal Continuo Agitado Entrada=Salida+Desaparición+Acumulación

Estado estacionario:

Balance de Masa del Reactor Ideal Flujo Pistón Entrada=Salida+Desaparición+Acumulación En un elemento diferencial de volumen:

Estado estacionario:

Modelo cinético La ecuación de velocidad representa la expresión de la cinética de reacción (v= ±drA /Vdt) como función de la composición y de la temperatura: v(Co,x,T). Gráficas velocidad-conversión-temperatura Un método muy útil para realizar el diseño de diversos tipos de reactores, consiste en representar el modelo cinético mediante gráficas de variación de la conversión del reactivo limitante con la temperatura para diferentes valores constantes de la velocidad de reacción, incluyendo la curva de equilibrio en reacciones bidireccionales, que indica el máximo avance de la misma (v=0). Para obtener las curvas de velocidad (v), el objetivo de cálculo consiste en obtener las raíces de la ecuación: v-f(x, T)=0, considerando las diferentes expresiones implícitas en el modelo cinético:

Los parámetros necesarios son la composición de la alimentación (X 0i ), los coeficientes estequiométricos y datos para estimar las densidades en su caso, y los factores de frecuencia, energías de activación y órdenes de reacción. El cálculo requiere definir el valor de v, y el intervalo de temperaturas, previo a la búsqueda de los pares de valores (x,T) que cumplen la condición (por  iteración con Dx para cada valor de trabajo T). El método puede aplicarse fácilmente a otros casos como reacciones unidireccionales o cinéticas fraccionarias, tanto en forma directa como en subrutinas de simulación de reactores1. En aquellos casos en que la reacción esté afectada tanto por la cinética química intrínseca como por la transferencia de masa, el modelo de velocidad dependerá de los procesos controlantes en el mecanismo global: si la etapa lenta está relacionada con el transporte de masa (habitual en procesos heterogéneos) el modelo vendrá determinado, como veremos, por la velocidad  de transferencia de materia en los medios o interfaces correspondientes. En aquellos casos en que la reacción esté afectada tanto por la cinética química intrínseca como por la transferencia de masa, el modelo de velocidad dependerá de los procesos controlantes en el mecanismo global: si la etapa lenta está relacionada con el transporte de masa (habitual en procesos heterogéneos) el modelo vendrá determinado, como veremos, por la velocidad  de transferencia de materia en los medios o interfaces correspondientes.

Balances de materia

El balance de materia referido a cualquier especie (reactivo o producto), para un elemento de volumen de reactor es:

Cuando la composición es uniforme en el reactor, el balance puede extenderse a todo su volumen; en caso contrario debe referirse a un elemento dV e integrarse a todo el reactor. Las ecuaciones de diseño resultantes (para sistemas ideales) se obtienen de los correspondientes balances de materia a los reactores teniendo en cuenta su geometría y el modelo de flujo: t (Co,x,v).

Balance térmico y transferencia de calor en reactor. Cuando el calor de reacción, o bien el calor intercambiado con los alrededores, modifica de forma significativa la temperatura de la mezcla reaccionante, debe tenerse en cuenta en el diseño desarrollando los correspondientes balances de energía, adicionalmente a los de materia y el modelo cinético. En el caso más general, se tratará de reacciones incompletas donde el calor se invierte íntegramente en modificar la entalpía del estado final respecto al inicial. Para el diseño de reactores en régimen no isotérmico es necesario obtener las líneas de operación a partir del balance de energía: T (To,x,q). El balance térmico se basa normalmente en la equivalencia del calor  intercambiado y la variación de entalpía (en ausencia de trabajo): q=Dh, y su cálculo en función de la conversión y las temperaturas en el reactor: dh= (dh/dx)Tdx +(dh/dT)xdT; en forma integrada esta ecuación puede expresarse Como: Dh = F·[Xi ·xi /ni·DHr(T) + ∫CFdT]. Tomando como base la temperatura inicial de los reactivos [HR (To)=0] y 1 kmol de reactivo limitante, el balance resultante es: Q= DHr= DHr(To)×x + ∫[CR(1-x)+CPx]dT = DHr(T)×x + ∫CRdT Donde C representa el calor específico de la parte convertida o inalterada (por  kmol de componente limitante de la reacción), y Q el calor intercambiado por el reactor (por kmol de reactivo limitante) en una operación no adiabática; la representación de esta ecuación T(x) nos da una curva que, en general, se aproxima tanto más a una recta cuanto más parecidas sean las capacidades caloríficas de reactivos y productos (en régimen adiabático). El sistema convencional de baja carga mostrado se estratifica en varias capas. El fango de aportación entra al tanque cerca de su parte superior a la altura de la capa sobrenadante (una capa líquida parcialmente purificada). Por debajo se encuentra la capa digestora activa de fangos y en la capa inferior del tanque se asienta el fango estabilizado, listo para su extracción. Estos digestores convencionales o de baja carga se caracterizan porque sufren agitaciones intermitentes, con aportes y extracciones de fango asimismo intermitentes. Cuando no se realiza agitación el contenido del digestor se estratifica. Los digestores de alta carga se caracterizan por una agitación continua, excepto en las extracciones de fangos. Los digestores de alta carga poseen unos tiempos de retención hidráulica alrededor de la mitad que los de baja carga y su tasa de producción de gas casi dobla la de éstos. En las siguientes figuras se detallan las numerosas variaciones existentes en este proceso, incluyendo recirculación del gas, el lecho fijo o lecho fluidizado, etc.

:

Diseños de reactores de primera generación.

Reactores de primera generación.

Diseños de reactores de segunda generación. En los reactores sometidos a agitación, ésta se realiza por alguno de los métodos siguientes: Mezcladores mecánicos. Recirculación del gas Recirculación de los fangos • • •

Los digestores pueden operar a las siguientes temperaturas: Psicrófilos (0-20 °C) Mesófilos („36 °C) Termófilos (50-60 °C) • •

•

Los digestores más antiguos operaban a temperatura ambiente con mayores tiempos de retención. La mayoría de los digestores operan hoy día a temperaturas mesófilas con buenos resultados de estabilidad y producción de gas (alrededor de 2 m 3 biogás/m3 de digestor). Nótese que el biogás = CH 4 + CO2 con un contenido típico en CH4 del 60%. La temperatura óptima de trabajo es la termófila ya que se alcanza la máxima tasa de producción de gas y se garantiza la destrucción de patógenos. Sin embargo, a esta temperatura el proceso es el menos estable y necesita una supervisión de proceso más compleja. La producción de gas depende del diseño, temperatura de operación, tipo de residuo, etc., aunque típicamente este valor oscila entre 1 y 5 m 3 de biogás por m3 de volumen del digestor. Los márgenes de reducción de la DQO se encuentran entre el 70-90%. Las cargas definidas en kg DQO/m 3/día están entre 2 y 40. La composición típica en metano del biogás es del 50-70%.

Diseño del proceso

El diseño de proceso implica a varios parámetros entre los que se incluyen:  Tiempo de retención de sólidos (TRS), días  Tiempo de retención hidráulico (TRH), días 3  Carga de sólidos volátiles, kg SV/m /día 3  Tasa de producción de sólidos, kg SS/m /día 3 3  Tasa de producción de gas, m CH4/m reactor/día  Configuración del tanque  Sistemas de agitación  Sistemas de calefacción Los datos típicos de diseño y operación para procesos de digestión anaerobia en Estados Unidos según recopilación de ASCE, se muestran en la Tabla 18. Es notable que la temperatura de operación predominante es la mesófila (38°C). Esto también es así en Europa. Desde 1983, la tecnología de digestión anaerobia ha mejorado significativamente. Numerosas plantas de nueva construcción operan hoy día en condiciones mesófilas con el objetivo de obtener mayores tasas de producción de gas aun con alto contenido en sólidos. Con sistemas de digestión sin recirculación, el tiempo de retención de sólidos es igual el tiempo de retención hidráulico. Se mantienen tiempos de residencia de fangos adecuados con el objetivo de reducir completamente los sólidos volátiles. El tiempo de retención de sólidos y el tiempo de retención hidráulico se define como:

TRH

volumende trabajo, l =

tasa de e lim inacónde fango, l / día

Datos de diseño y operación de digestores anaerobios. Variable Media de

Tipo de fango de aporte Primario (%) Filtro percolador (%) Fango activado en exceso (%) Sólidos totales (%) Sólidos volátiles (%) Diámetro del tanque (m) Altura del tanque (m) Carga de fango (kg SSV/m 3 /día) Producción de gas (m 3 /kg SV reducido) Metano (%)

50 15 35 4,7 62 12-38 m 5-19 ≈5,5 ≈1 65

Temperatura de operación (°C) Adaptado de ASCE, 1983.

38

Típicamente, los fangos de aguas residuales urbanas necesitan un TRS no inferior a 10 días. Esto es debido a que la etapa microbiológica que limita el proceso es la etapa de crecimiento metanogénica de las bacterias, que necesita alrededor de 10 días: Para lodos mixtos se suelen emplear tiempos mayores, ya sean urbanos, industriales o agrícolas. Los márgenes de trabajo suelen ser de entre 15 y 30 días. La carga de sólidos volátiles de define como: c arg a de SV

(17)

sólidosvolátilesañadidosdiariamente, kgSV / d =

volúmende trabajodel digestor , m 3

Los valores típicos están entre 2-3 kg SV/m 3/d. Los valores de diseño pueden llegar a un máximo de 3.2, debido a que la toxicidad tanto del amoníaco como de los metales pueden limitar la operación. Las tasas de producción de gas se encuentran entre 0.5-1.5 m 3 de gas por kg de SV eliminado. Estas tasas dependerán en la temperatura del digestor siendo ésta mayor cuando se alcancen condiciones teiniófilas. Hoy en día se eligen geometrías de tanque principalmente cilíndricas con diámetros entre 5-50 m y alturas entre 3-25 m. Algunos digestores poseen un diámetro mayor que su altura (como por ejemplo las unidades de lecho fluidizado), mientras que los que emplean la recirculación de gas como mecanismo de agitación pueden ser  más altos que su diámetro. La construcción del tanque hoy en día se realiza casi siempre en acero. Los sistemas de agitación y calefacción pueden ser  interdependientes. Todas las configuraciones de reactor tienen un aislamiento térmico. Entre los mecanismos de calefacción se incluyen bolsas exteriores de agua, tuberías exteriores aisladas, cambiadores de calor interiores, inyección de vapor o calefacción directa por llama. Por ejemplo el calor necesario para elevar la temperatura del fango desde la temperatura ambiental de aporte, hasta condiciones mesófilas (38°C) y mantenerlo a esa temperatura se calcula sencillamente con la expresión: (18) H= WCAT+ UAAT  Donde: H = calor necesario en el fango afluente compensado por las pérdidas, kg cal/h W = caudal de fango afluente, kg/h  AT = diferencia entre la temperatura del digestor y la temperatura del lodo afluente U = coeficiente de transferencia de calor a través de las paredes del tanque, kg cal/ m2 h °C A = área superficial del digestor por la que se producen pérdidas de calor  C = capacidad térmica específica media del fango de aporte, aproximadamente 1 kg cal/kg °C La agitación en el digestor se considera esencial para mantener una calidad de fango uniforme a efectos de prevenir bloqueo de las canalizaciones de entrada y las de salida de fango y gas. El mecanismo más simple de agitación fue la reintroducción de gas al propio tanque. Sin embargo, este sistema es antieconómico y en la actualidad se emplean directamente sistemas

mecánicos. El método más común es el de recirculación por bombeo cuya línea de impulsión consiste en un tubo montado en el interior del tanque. El volumen de digestor discontinuo viene dado como: Donde:

VS = ( VI-2/ 3(VjJ - Vf))t

(19)

VS = volumen del digestor  V I  = volumen inicial de fango V f  = volumen final de fango t = tiempo de retención

PRODUCCIÓN DE METANO La cantidad de metano producida dependerá de varios parámetros, pero más concretamente del tipo de residuo, tipo de reactor, temperatura y contenido de sólidos. La ecuación estequiométrica para la producción de metano era (20) C H O n a  b

+   n − a −  b   H 2O →   n − a +  b   CO 2 +   n + a −  b   CH 4   4 2    2 8 6    2 8 4  

Por ejemplo, si se usa glucosa pura, entonces: C 6 H12 O 6 ( pesomol=180)

→

3CO 2

+

( peso mol= 44)

3CH 4 ( peso mol=16)

Es decir que 1 kg de glucosa produce 3 x 16/180 = 0,27 m3 de CH4. Igualmente, 1 kg de hidratos de carbono produce alrededor de 0.35 m3 de CH4. Para reactores continuos de mezcla completa la tasa de producción de metano es: McH4 = 0,35(nQC i  - 1,42r 9V) (21) Donde n = fracción de DQO biodegradable convertida (~0,85) Q = cauda

m3/s C. = carga de DQO, kg/1 r a = tasas de crecimiento, g/mas V = volumen, m 3 MCH4 = producción de metano, m 3/s

Como estimación preliminar de la producción de gas, si se ignora la tasa de crecimiento, entonces MCH4≈0,3QC i  eq. 9

Manejo de gases Toda planta de tratamiento anaerobio debe contar con un sistema que permita el manejo y disposición final del biogás que no genere impactos negativos en la comunidad residente en los alrededores de la planta de tratamiento, bien sea por explosiones o malos olores. En la tabla siguiente se presentan los valores que se deben usar para el análisis de impactos de emisiones de sulfuro de hidrógeno o gases que lo contengan.

Producción de gas La cantidad de gas que se produce a partir de aguas residuales municipales se puede determinar mediante la siguiente ecuación:

Composición del biogás La composición del biogás, depende del agua residual a tratar. Los rangos en que se encuentran los principales componentes se pueden ver.

El biogás crudo es considerado como un combustible, dado su rango de mezcla explosiva, aproximadamente 5 a 15% metano/aire, quema con una llama azul y no produce humo.

Tratamiento de gases Se deben diseñar sistemas de purificación de los gases secundarios para la remoción de compuestos odoríferos cuando el estudio de impacto ambiental así lo recomiende o cuando existan residencias a una distancia a la redonda de 300 m.

Combustión del biogás La combustión directa del biogás crudo es obligatoria por aspectos de higiene, seguridad industrial y estética. Estas situaciones serán de mayor prioridad en la medida en que la planta de tratamiento esté localizada cerca de comunidades y no disponga de suficiente área abierta. Las alternativas de combustión del biogás se clasifican en: 1. Sistemas de combustión de piso o incineradores 2. Sistemas de combustión elevados o antorchas Los sistemas de antorchas e incineradores al igual que las calderas deben estar dotadas de elementos de control de llama, como foto celda, encendido electrónico (chispa) y quemador piloto, el cual debe utilizar un circuito de combustible (gas natural, propano) independiente: Como medida de seguridad en casos de retroceso de llama, es necesario disponer de algún sistema de trampa de llamas para aislar la planta de tratamiento en la cual se encuentra acumulado un volumen apreciable de biogás. Deben colocarse avisos que muestren claramente la prohibición de fumar y el uso de artefactos que generen chispas.

Control de olores Debe cumplirse con lo siguiente: · Minimizar la turbulencia, evitar caídas mayores a 5 cm. · Seleccionar adecuadamente el sitio de la planta. · Buscar que se produzcan sumergencias en las tuberías que conecten los diferentes sistemas del reactor. · · · · · ·

Recoger los gases secundarios y tratarlos. Quemar o tratar los gases primarios. Minimizar escapes de gases de los reactores y sistemas de manejo Colocar separadas las cajas de entrada y salida de caudales. Colocación de barreras vivas. Colocar plantas aromatizantes.

La distancia mínima a la residencia más próxima de la planta de tratamiento debe ser 200 m a menos que el estudio de impacto ambiental demuestre la ausencia de efectos indeseables a la comunidad.

Operación y mantenimiento Se debe tener un manual de operación y mantenimiento que contemple los siguientes aspectos: · · · · · · · ·

Control de pH. Control de la alcalinidad. Control de la temperatura. Control de los ácidos grasos volátiles. Operación adecuada para variaciones de carga orgánica e hidráulica. Control en la producción de gas. Control de la composición del gas (CH4, CO2, N2, H2S) Control de lavado de sólidos suspendidos en el efluente.

En el Anexo E se presenta una metodología para la operación y mantenimiento de proceso anaerobio de tratamiento de aguas residuales.

Reactores UASB Existen dos tipos de reactores UASB, según el tipo de biomasa. El primer tipo de reactor se denomina de lodo granular. Como su nombre lo indica, se genera el lodo granular, que por sus buenas características de sedimentación y actividad metanogénica permite altas cargas orgánicas específicas; el segundo se denomina de lodo flocúlenlo, que soporta cargas menores tanto orgánicas como hidráulicas.

En la siguiente tabla se presenta un resumen de las cargas orgánicas aplicables en relación con la Temperatura operacional para aguas residuales con VFA soluble y no-VFA soluble. Estos valores corresponden a agua residual con un 30% de SS sedimentables en reactores UASB de lodo granular cuya concentración en el lodo es 25 kgssv/m3.

Tiempo de retención hidráulica

Para el tratamiento de aguas residuales municipales deben utilizarse tiempos mínimos de retención de seis horas, que pueden llevar a una remoción hasta del 80% en la DBO5. El tiempo de retención aplicable a las aguas residuales municipales depende de la temperatura. En la tabla siguiente se presentan algunos valores aplicables para un reactor UASB de 4 m de altura.

Altura del reactor  El reactor puede considerarse dividido en dos espacios, uno inferior en donde ocurren las reacciones de descomposición y uno superior en donde ocurre la sedimentación de los lodos. El espacio inferior debe tener una altura entre 4.0 y 5.0 m y superior entre 1.5 y 2.0 m. Adicionalmente debe proveerse un borde libre de 40 cm.

Separador gas-sólido-líquido Esta estructura divide el reactor en dos espacios : el inferior, que presenta alta turbulencia debido al gas, y el superior o de sedimentación, con baja turbulencia. El separador provee de una superficie de contacto entre el líquido y el gas, de modo que los flocs que llegan a dicha superficie puedan transferir el gas que los ayuda a flotar a la atmósfera y sedimentar hacia la cámara principal

Distribución de caudales Con el fin de garantizar la uniformidad de alimentación en todo el volumen del reactor, debe distribuirse el influente en el fondo del reactor. Las tuberías deben estar a unos 20 cm del fondo del reactor.

En la tabla siguiente. Ese presenta rangos para el número de puntos de entrada requeridos en los reactores UASB, según el tipo de lodo formado.

Modularidad El reactor UASB puede ser construido modularmente. El módulo máximo debe tener 500 m3.

Metodología de cálculo Para aguas residuales diluidas (