Tratamiento anaerobio

Introducción

El crecimiento acelerado de las ciudades ha impedido que se logre un cubrimiento de servicios públicos adecuado para toda la población. Una de las consecuencias indeseables de esta situación es la descarga indiscriminada de las aguas residuales domésticas e industriales a los cuerpos de agua más cercanos con su consecuente deterioro y con consecuencias desastrosas sobre la ecología y la salud pública. Los países desarrollados han controlado esta situación utilizando sistemas de depuración de las aguas residuales previamente a su descarga en la fuente receptora. Al igual que la tecnología de la evacuación de las aguas servidas, se han hecho numerosos esfuerzos para la aplicación de los sistemas de depuración utilizado en los países desarrollados a las condiciones socioeconómicas, climáticas y culturales de nuestro medio. Uno de los resultados obtenidos en estos esfuerzos es la incapacidad económica de las municipalidades para pagar los altos costos de inversión y de operación de los sistemas tradicionales para el tratamiento de las aguas residuales. A diferencia de otro tipo de servicios públicos, el tratamiento de las aguas residuales necesita de soluciones tecnológicas apropiadas para el medio climático y socioeconómico de los paises en vías de desarrollo.

Una de las alternativas tecnológicas para la depuración de las aguas residuales que ha tenido un gran desarrollo en las últimas décadas ha sido la de los tratamientos biológicos en ambientes anaerobios.

El reactor anaerobio puede aplicarse, entre otros, a residuos ganaderos, agrícolas, así como a los residuos de las industrias de transformación de dichos productos. Entre los residuos se pueden citar purines, estiércol, residuos agrícolas o excedentes de cosechas, etc. Estos residuos se pueden tratar de forma independiente o junta, mediante lo que se da en llamar co-digestión.

La investigación proporciona una opción eficaz ante el tratamiento de aguas residuales con una elevada carga de materia orgánica

Objetivo general

• Tratamiento de aguas residuales del efluente de residuos ganaderos de la granja de zootecnia por tratamientos biológicos en ambientes anaerobios

Objetivo específico:

• Determinar la Comparación de los tres tipos de birreactores anaerobio ( reactor convencional de tasa baja, reactores continuos de tasa alta )

• Determinar los parámetros SSV, OD, PH de los reactores anaerobios

• Determinar la DBO5 después del tratamiento

Revisión literaria

• AGUAS RESIDUALES

Se denomina aguas servidas a aquellas que resultan del uso doméstico o industrial del agua. Se les llama también aguas residuales, aguas negras o aguas cloacales.

Son residuales pues, habiendo sido usada el agua, constituyen un residuo, algo que no sirve para el usuario directo; son negras por el color que habitualmente tienen.

• TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

La remoción de materia orgánica constituye uno de los objetivos del tratamiento de las aguas residuales, utilizándose en la mayoría de los casos procesos biológicos.

El mecanismo más importante para la remoción de la materia orgánica presente en el agua residual, es el metabolismo bacteriano. El metabolismo consiste en la utilización por parte de las bacterias, de la materia orgánica como fuente de energía y carbono para generar nueva biomasa. Cuando la materia orgánica es metabolizada, parte de ella es trasformada químicamente a productos finales, en un proceso que es acompañado por la liberación de energía llamado "Catabolismo". Otro proceso denominado "Anabolismo o Síntesis" ocurre simultáneamente, donde parte de la materia orgánica se transforma en nuevo material celular.

• SISTEMAS DE TRATAMIENTO BIOLÓGICO

Los tratamientos secundarios son procesos biológicos, en los que la depuración de la materia orgánica biodegradable del agua residual se efectúa por la actuación de microorganismos (fundamentalmente bacterias), que se mantienen en suspensión en el agua o bien se adhieren a un soporte sólido formando una capa de crecimiento.

Los procesos biológicos pueden ser de dos tipos principales: aerobios y anaerobios (en ausencia de aire); en general, para aguas con alta carga orgánica (industrias agroalimentarias, residuos ganaderos, etc.) se emplean sistemas anaerobios y para aguas no muy cargadas, sistemas aerobios. En la práctica pueden ser empleadas ambas técnicas de forma complementaria.

Entre las variables a controlar en estos procesos se encuentran la temperatura (en anaerobios esencialmente), oxígeno disuelto, el pH, nutrientes, sales y la presencia de inhibidores de las reacciones.

Existen diversos sistemas biológicos para el tratamiento de aguas residuales, que se clasifican en aerobios y anaerobios. Generalmente, los procesos anaerobios se usan para tratar residuos con alta carga orgánica contaminante, por ejemplo los lodos producidos por los tratamientos primarios y secundarios de las actividades económicas. Una parte importante para obtener una buena remoción de materia orgánica en los procesos de digestión anaerobia, consiste en una adecuada selección del modelo (MÉNDEZ, H., et. al. 2005).

• TRATAMIENTO AEROBIO

Los más empleados son el de lodos activados y tratamientos de bajo coste: filtros percoladores, biodiscos, biocilindros, lechos de turba, filtros verdes y lagunaje (este sistema se puede considerar como "mixto", ya que se dan tanto en procesos aerobios como anaerobios, dependiendo de la profundidad). En todos estos procesos, la materia orgánica se descompone convirtiéndose en dióxido de carbono, y en especies minerales oxidadas.

• TRATAMIENTO ANAEROBIO

Consiste en una serie de procesos microbiológicos, dentro de un recipiente hermético, dirigidos a la digestión de la materia orgánica con producción de metano. Es un proceso en el que pueden intervenir diferentes tipos de microorganismos pero que está dirigido principalmente por bacterias. Presenta una serie de ventajas frente a la digestión aerobia: generalmente requiere de instalaciones menos costosas, no hay necesidad de suministrar oxígeno por lo que el proceso es más barato y el requerimiento energético es menor. Por otra parte se produce una menor cantidad de lodo (el 20% en comparación con un sistema de lodos activos), y además este último se puede disponer como abono y mejorador de suelos. Para para que un reactor anaerobio sea estable es necesario que exista un ambiente que permita la mejor actividad de la biomasa y que el tiempo de retención de sólidos sea adecuado. Por el contrario; agrega, una sobrecarga orgánica causada por el aumento en la concentración o en el caudal, variaciones en la temperatura y la entrada de compuestos tóxicos al reactor, son causas que rompen la estabilidad (Monroy, O. 1992).

La digestión anaerobia es uno de los procesos más antiguos usados en la estabilización de fangos. En el se produce la descomposición de la materia orgánica e inorgánica en ausencia de oxígeno molecular. En este proceso la materia contenida en la mezcla de fangos primarios y biológicos se convierte biológicamente, bajo condiciones anaerobias, en metano (CH4 ) y dióxido de carbono (CO2 ). Este proceso se lleva a cabo en un reactor completamente cerrado, de forma continua e intermitente, y permanecen en su interior durante períodos de tiempo variables. Los dos tipos de digestores más empleados son: los de baja carga, los cuales no se suelen calentar, ni mezclar el contenido del digestor, con tiempos de retención entre 30 y 60 días; y los de alta carga, en los que el contenido se calienta completamente, con tiempos de detención hidráulica de 15 días o menos. Las ventajas de estos con respecto a los aerobios vienen condicionadas por el lento crecimiento de las bacterias formadoras de metano (GORDON, M. et al. 1987).

• Reactores Discontinuos (Batch)

Los reactores en secuencia batch se operan en una serie de etapas en discontinuo, básicamente llenado, reacción, sedimentación, descarga y espera. Cada etapa puede cumplir diferentes funciones y su duración se puede ajustar fácilmente en función del objetivo del tratamiento. La biomasa que se desarrolla en este tipo de reactores es expuesta periódicamente a las diferentes condiciones del ciclo completo de operación (llenado, reacción, sedimentación, descarga, espera). Es por esa razón que ocurre una selección de cepas especialmente versátiles y capaces de absorber los cambios en el efluente (Wilderer et al., 2001). La aparente complejidad operativa que podrían presentar estos sistemas por el tipo de operación en batch se resuelve a través de dos vías fundamentales: la adecuación de la operación al esquema de producción de la planta industrial y la automatización del funcionamiento.

Consiste en un simple tanque de proceso, en el que se añade la mezcla de residuos, y una vez finalizada la reacción, es decir, transcurrido el tiempo de retención, se retira el efluente y se procede a añadir material nuevamente. Obviamente, la eficiencia del proceso es escasa, por existir tiempos muertos entre fases. Además, la ausencia de sistemas de mezclado ralentiza la completa digestión anaerobia de los sustratos introducidos (Brenner, 1997).

• Reactor continuo con retención de Biomasa

Si se consigue retener bacterias en el interior del reactor, evitando la configuración de reactor de mezcla completa, es posible reducir el tiempo de retención por debajo del reactor RMC tomado como referencia. A diferencia de reactores de flujo pistón la tasa de crecimiento de microorganismos es más elevada a la entrada del reactor, donde la concentración de sustrato también es más elevada, hace que la concentración media en el reactor sea superior a la correspondiente a mezcla completa, o en todo caso superior a la de salida, con lo cual el tiempo de retención será inferior.

En este sistema las bacterias anaerobias están fijadas a la superficie de un soporte inerte —formando biopelículas—, columna de relleno, o atrapadas en los intersticios de éste, con flujo vertical. El soporte puede ser de material cerámico o plástico. Su distribución puede ser irregular y en este caso las bacterias se encuentran mayoritariamente atrapadas en los intersticios, o regular y orientado verticalmente, y en este caso la actividad es debida básicamente a las bacterias fijadas, recibiendo el nombre de lecho fijo con flujo descendente. En caso de utilizar un soporte orientado verticalmente con flujo ascendente y un sustrato lentamente degradable, con elevado tiempo de retención, la retención por sedimentación de los fragmentos de biopelícula desprendidos adquiere un efecto de importancia en la actividad del reactor.

• Reactor sin retención Interior de Biomasa

Los reactores de mezcla completa consiste en un reactor en el que se mantiene una distribución uniforme de concentraciones, tanto de substrato como de microorganismos (ver Figura 8.a). Esto se consigue mediante un sistema de agitación. Ésta puede ser mecánica (agitador de hélice o palas, de eje vertical u horizontal) o neumática (recirculación de biogás a presión), y nunca violenta. Esta tipología de reactor no ofrece problemas de diseño y es el más utilizado para residuos. Comparativamente a otros reactores, el tiempo de retención necesario es alto, debido a que la concentración de cualquier especie, que se mantiene en el reactor en régimen estacionario, es la misma que la que se pretende en el efluente. Si la velocidad de reacción depende de la concentración, como es el caso de los procesos biológicos, la velocidad será baja, y la forma de compensarla es aumentando el tiempo de reacción (Pérez, M. 1995).

• TRATAMIENTOS MIXTOS

En algunos casos se utilizan tratamientos aerobios y anaerobios, bien de forma consecutiva, alternante o produciéndose ambos a la vez. Esto último es lo que sucede en las denominadas lagunas facultativas, con zonas de depuración aerobia (zona más superficial) y anaerobia (zonas más profundas). En los sistemas de lagunaje se combinan las lagunas de los tres tipos, anaerobias, aerobias y facultativas.

Materiales y métodos

• Materiales

• 3 botellas de 3 tres 3.3 litros. (reactores)

• Una botella de 7 litros ( tanque de alimentación a los reactores )

• Una botella de 2.5 litros ( tanque de almacenamiento del gas)

• Mangueras

• Llaves de paso

• Maderas de soporte

• Tres focos ( incrementar la temperatura )

• Metodología

Se alimentó a los tres reactores con un agua residual de la granja (vacunos) de la facultad de zootecnia, donde a los tres reactores se le adicionó 130 ml de concentrado de microorganismos del agua residual.

El primer reactor es de tipo batch, donde se alimentó con el agua residual hasta los tres cuartas partes del reactor para la actividad microbiana y la cuarta parte se dejó para la formación del gas (CH4), donde tiene un tiempo de retención celular y un tiempo de retención hidráulico.

El segundo reactor es de tipo continuo, donde se alimentó con el agua residual las tres cuartas partes para actividad microbiana, y la cuarta parte para la formación del gas (metano), con un caudal mínimo (constante), donde el tiempo de retención celular es igual al tiempo de retención hidráulico.

El tercer reactor es de tipo continuo con un filtro de grava, donde se alimentó con el agua residual las tres cuartas partes para actividad microbiana, y la cuarta parte para la formación del gas (metano), con un caudal mínimo (constante), donde el tiempo de retención celular va ser mayor que el tiempo de retención hidráulico por la formación de biopeliculas en la grava.

Para la determinación del DBO

Preparación del agua de dilución. Colocar la cantidad de agua necesaria en una botella, y agregar 0.05 % de la muestra, aforando al volumen de la botella con agua destilada. Seguidamente se midió el OD inicial.

Después se lo llevo a la cámara de aislamiento durante los cinco días. Pasado esto se volvió medir el OD final de la dilución.

Para la determinación de los sólidos volátiles.

Para la determinación de los sólidos suspendidos: Se recogió 100 ml de la muestra y se lo llevo al filtrado, antes de eso se pesó el filtro sin los sólidos (peso inicial).

Una vez filtrado el agua, se llevó el filtro en una estufa a una temperatura de 103 -105 °C. Después se lo llevó en un desecador por un tiempo de 1 hora, seguidamente se pesó el filtro con los sólidos (peso final).

Para la determinación de los sólidos no volátiles: se pesó el crisol vacío,

Colocó en el crisol el filtro con los sólidos suspendidos, seguidamente se lleva a la cocina eléctrica para que se carbonice, después se lo llevo a la mufla y finalmente se obtiene el peso final del crisol con los sólidos no volátiles.

Resultados

• Diseño Experimental de los reactores anaerobio tipo batch y continuos:

• Etapa de diseño:

• Tanque de almacenamiento de agua contaminada:

El tanque que se utilizó posee un volumen de 7 L. Se le ha instalado el sistema de Marriot con la finalidad de mantener una presión uniforme dentro del tanque.

• Reactores:

Los reactores fueron elaborados de 3 botellas que posee un volumen de 3 Litros cada uno:

• Tanque de biogás:

El tanque de biogás es una botella de plástico que posee un volumen de 1.5 L, en este se observara la producción de metano y CO2 que se genera en el proceso.

• CÁLCULO DE LA DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXÍGENO

El cálculo de la DBO5 se realiza con la siguiente formula:

Dónde:

ODm: Oxígeno disuelto inicial de la muestra

ODad: Oxígeno disuelto del agua destilada

Vb: volumen de la botella

Vm: volumen de la muestra

ODf: oxígeno disuelto final de la muestra

Se obtuvo los siguientes datos de DBO5:

• Comparación de la DBO5 de todos los reactores anaerobios:

Discusiones

El primer arranque de cualquier reactor anaerobio es lento y requiere de largos periodos de tiempo, debido a las bajas tasas de crecimiento de los microorganismos (Y= 0.03 a 0.08 kgSSVDQO/kgDQO convertida para bacterias metanogénicas), por lo que siempre es conveniente la inoculación, en nuestro caso fue de 130ml. De hecho, esta es una de las principales desventajas del proceso. Sin embargo, una vez que el sistema ha sido arrancado y se opera adecuadamente es posible considerar que el problema se resuelve en definitiva.

Según el Instituto de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México, es necesario que el volumen de lodo de inóculo sea lo más grande posible en relación con el volumen del reactor y que tenga suficiente actividad y adaptación a las propiedades específicas del agua residual. No hay reglas claras para estimar el volumen conveniente para inocular reactores anaerobios. Un intervalo entre un 10 y un 30% del volumen del reactor puede considerarse aceptable. En general, mientras más inóculo se utilice, mayor será la carga orgánica de arranque.

Los AGV son productos intermediarios del proceso de digestión anaerobia y su concentración en el efluente puede ayudar a determinar la extensión de dicha digestión. Si durante las primeras semanas del arranque, la concentración de AGV en el efluente es mayor a la del influente, indica que la fermentación se efectúa a una tasa mayor que la metanogénesis y el desarrollo bacteriano procede adecuadamente. Sin embargo, después de que se acumule bastante lodo, deberá registrarse una disminución de la concentración de AGV, hasta llegar a ser ésta menor a la del influente.

El contenido de sustancia orgánica debe ser apropiado para los microorganismos seleccionados en proceso anaeróbico. El alto valor nutritivo de la sustancia orgánica para el microorganismo, de ahí la potencial de formación de gas y debe ser tan alto como sea posible. El sustrato debe estar libre de patógenos y otros organismos que tienen que ser hecho inocuo antes del proceso anaerobio. El contenido de sustancias nocivas y la basura debe ser baja para permitir la fermentación proceso se lleve a cabo sin problemas. La composición del residuo de fermentación debe ser tal que se puede utilizar, por ejemplo como fertilizantes

Yue y compañero de trabajo en 2007, indican que los metales causan fallos del sistema anaeróbico cuando son en forma de iones libres (en su forma soluble) y por encima de ciertas concentraciones.

Las diferencias informadas en los metales concentración inhibitoria podría ser debido a los varios factores que incluyen la variación en las características del lodo, la forma química de los metales pesados ??y resistencia microbiana a los metales (Altas, 2009).

• TEMPERATURA

La temperatura se mantubo en una media de 28°C. Es interesante observar que la digestión anaerobia en los entornos naturales se produce a 60 ºC (digestión termofílica en el proceso); Sin embargo, para las prácticas industriales, el rango de temperatura se limita a 20-55 ºC

(Fannin, 1987). En los ambientes naturales, la temperatura óptima para el crecimiento de metano arqueas forman es 5-25ºC, 30-35ºC, para mesófilos, 50-60ºC, para termófilo y > a 65ºC (Tchobanoglous y Burton, 1996).

• Se entiende generalmente que el aumento de temperatura podría producir una mayor tasa de reacción y promoviendo así la aplicación de mayor velocidad de carga orgánica sin afectar a la eficacia de eliminación orgánica (Chae et al., 2007; Choorit y Wisarnwan, 2007; Poh y Chong, 2009).

Conclusión

Para lograr un arranque exitoso es imprescindible que la biomasa viable se retenga en el reactor y que su actividad se incremente con el tiempo.

En el arranque del reactor anaerobio para aguas contaminadas de la granja de zootecnia, se determinó que el reactor 3 tiene un mayor porcentaje de remoción con 63.71 % en aguas con alta concentración de materia orgánica, debido a la biopelicula que se forma en la graba, la cual hace que el tiempo de retención celular es mayor al tiempo de retención hidráulica, se identificó también que el reactor 1 tiene el menor porcentaje de remoción con 52.92 %.

El reactor 3 presento una mayor concentración de microorganismos, ya que se obtuvo 1206 mg/L de solidos suspendidos volátiles, el reactor 1 presenta la menor concentración de microorganismos, con 802 mg/L de solidos suspendidos volátiles.

Recomendaciones

• Combinar diferentes técnicas para hacer más eficiente el proceso anaerobio en dos fases, como la implementación de área superficial dentro del reactor metanogénicopara creación de biofilm o añadir biochar al sustrato para incrementar la producción de metano y reducir el TRH.

• La utilización de un filtro de grava en la parte inferior es una mejora definitiva en la retención de los sólidos en un reactor anaerobio. Esto permite una mejora en la estabilidad del proceso, debido a una mejor retención de la biomasa activa, ante los incrementos de las cargas organicas volumétricas aplicadas al reactor.

• Los resultados de esta investigación no son incondicionales, por lo cual se recomienda desarrollar nuevas experiencias con la tecnología de reactores anaerobios, con el fin de evaluarla a diferentes condiciones, ejemplo, diferente geometría, tiempos de reacción, mezcla intermitente, diferente sistema para la generación del contacto entre el lodo y el agua residual, entre otros.

• La densidad del lodo tiene mucha infuencia en el momento de la toma de la muestra, por lo que se recomienda utilizar una llave de mayor diámetro para evitar la obstrucción y con ello obtener la muestra con màs facilidad.

• Para la construcción de un sistema con estas características se recomienda realizar una evaluación económica más profunda, con el fin de determinar su rentabilidad y aplicabilidad.

• El metano es una gran fuente de energía, se recomienda almacenar el gas y realizar un estudio del mismo

Referencia bibliográfica

GORDON, M. et al. 1987. Ingeniería sanitaria y aguas residuales: purificación de aguas y tratamiento de aguas residuales. Tomo II, Editorial Limusa-Wiley, S.A., Primera edición, México.

MÉNDEZ, H., et. al. 2005. A robust feedforward/feedback control for an anaerobic digester, Computers and Chemical Engineering, 29, 1613-1623.

MONROY, O. 1992 Control de la digestión anaerobia. En: "Curso de bioprocesos anaerobios para el tratamiento de aguas residuales industriales". UAM Iztapalapa.

BRENNER, A. 1997. The use of computers for process analysis and control: sequencing batch reactor application. Wat.Sci.Tech. 35(1), 95-104.

Wilderer P., Irvine R., Goronszy M. (2001) Sequencing Batch Reactor Technology.Scientific and Technical Report Nº10, IWA Publishing.

Pérez, M. 1995. Utilización de bioreactores avanzados en la depuración anaerobia de vertidos de alta carga orgánica. ISBN: 84-7786-293-1. Tesis Doctoral. Universidad de Cádiz.

Anexos

Autor:

Renzo David De la Cruz Espinoza