Eliminación de Materia Orgánica Biodegradable: Métodos Anaerobios

Eliminación de Materia Orgánica Biodegradable:

Métodos Anaerobios

Dra. Rosemary Vela [email protected]

Es el tratamiento biológico del agua residual sin eluso de aire u oxígeno.

Se aplica en la eliminación de la contaminaciónorgánica de las aguas residuales.

En el proceso de degradación anaerobia, ocurre:

ContaminantesOrgánicos

Microorganismosanaerobios

CO2 + CH4(Biogás)

Materia degrada-da en disolución

Nuevos microor-ganismos

¿Qué es el tratamiento anaerobio deaguas residuales?

Bacterias hidrolíticasBacterias Acetogénicas

Bacterias FermentativasBacterias Metanogénicas

agua particulada compleja:Proteínas, polisacáridos

Aminoácidos, azúcares, péptidos

propionato, butirato

acetato CO2, H2

CH4, CO2

Adaptado de Jim A. Field y Reyes Sierra

Biodegradación Anaerobia

La DQO del agua residual es convertidaprincipalmente en metano y en una menor proporciónen nuevos microorganismos.


DQOen el agua residual CH4

Nuevos microorganismos

90%

10%

Balance de DQO

La equivalencia en DQO del CH4 es como sigue:

CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O

De la ecuación: Por 1 mol de CH4 (22.4L @0ºC)consumida, 2 moles de O2 equivalente se destruyen(64g).

0.35L (22.4L/64g) de CH4 a 0ºC y 760 mmHg depresión es equivalente a 1g DQO consumido.

Para una temperatura de 35ºC y presión de 1 atm,la equivalencia del CH4 es 0.395L.

Equivalencia en DQO del CH4

pH: entre 6.5 - 8.2. En este intervalo los distintosmicroorganismos tienen buenos niveles de actividad.

Alcalinidad: Debe ser suficiente para mantener el pHdentro del rango óptimo. Se precisan valores dealcalinidad > que 1000mg/L.

Temperatura: Influye decisivamente en la actividad delos microorganismos. A nivel industrial, la mayor partede los reactores operan a temperaturas de 30-37ºC.También se puede trabajar a menores temperaturas. Eneste caso, el tiempo de tratamiento debe ser mayor.

Factores que afectan el procesoanaerobio

Capacidades de reactores anaerobios de altavelocidad.

Temperatura Capacidad de diseño (Kg DQO.m-3.d-1)

40 15-25

30 10-1520 5-1015 2-510 1-3


Nutrientes: Para sistemas muy cargados la relaciónDQO/N/P mínima es 350/7/1. Las bacteriasmetanogénicas también precisan para estimular sumetabolismo de S entre 0.001 y 1.0 mg/L y metales (Fe,Ni, Co, Mg...) a nivel de trazas.

Tóxicos: Según su concentración los mismos elementosindicados antes pueden convertirse en tóxicos oinhibidores. Por ejemplo, la concentración de metalespesados no debe superar 0.5g/L.

Iones que provocan la formación de precipitados:altas concentraciones de Ca2+ y Mg2+, pueden conducir ala anulación de la actividad microbiana.


Figuras a y b. Precipitación excesiva de carbonato de calcio en reactor de alta velocidad.Fuente: Dra Rosemary Vela C. UNALM

a.

b.


Figura c. Lodo granular anaeróbico con ácido acético como sustratoFuente: Dr. Lucas Seghezzo y Lettinga Associates Foundation

c.

Esquema Tanque Séptico

Proceso de descomposiciónfacultativa y anaeróbica,formación de CO2, CH4 ysulfuros.

Aceites, grasas, lodo arrastrado por burbujas de gas

Tecnología Anaerobia

Remoción de DBO:alrededor de 40%

Remoción de SS: alrededorde 50%

Aceites y grasas: 70 a 90%

TRH = 1 – 3 días Periodo de limpieza: 2 a 5 años Caudal de diseño ≤ 20 m3/día.

Tanque Séptico Donald Cameron, 1897

Aplicado al tratamientode aguas residualesdomésticas

Esquema Tanque Imhoff

Área de natas

Ranura con traslapeTHR = 2 h

h = > 6m

Elimina del 40 al 50% desólidos suspendidos y reducela DBO de 25 a 35%.


Tanque Imhoff

Karl Imhoff 1095

Por lo general aplicado altratamiento de aguas residualesdomésticas para comunidadesmenores de 5000 hab. o menos.

THR = 1 - 5 dh = 2 – 5 m


Laguna Anaerobia

Esquema Laguna Anaerobia

Se usa como primera unidad de unsistema para el tratamiento deaguas residuales domésticas conaltas concentraciones y presenciade desechos industriales (DBOmayor de 1000 mg/L).

- Elimina del 50 al 60% de laDBO- Construcción sencilla ymínimos requerimientos deenergía- Elevado requisito de área

El desarrollo de los sistemas anaerobios de altavelocidad en los últimos 40 años ha facilitado el usode la tecnología anaerobia en el tratamiento degrandes volúmenes de aguas residuales industrialesy domésticas.

Esta tecnología es atractiva en los países endesarrollo, ya que la energía necesaria para laoperación de los sistemas anaerobios es mínimacomparada con los sistemas convencionales detratamiento aerobio (lodos activados).

Tecnología Anaerobia de alta velocidad

Tecnología Anaerobia de alta velocidad

Operar con altas concentraciones de biomasa Aplicar cortos tiempos hidráulicos de residencia Trabajar con altas velocidades de conversión

Elevados tiempos de retención de biomasa activa

permiten

Son importantes también: un mejor contacto entre la biomasa y elagua residual, y una mayor actividad de la biomasa debido a sumejor adaptación.

Los distintos sistemas se diferencian por la técnica utilizada en laretención de la biomasa.

Bajos costos de inversión y operación. Alta eficiencia de tratamiento Producción de una fuente de energía que puede

servir para calentar el agua residual hasta latemperatura de operación.

Necesidad de espacio relativamente pequeño paralas instalaciones debido a la aplicación de altasvelocidades de carga orgánica.

Baja producción de lodo en exceso.

Ventajas del tratamiento anaerobio dealta velocidad

Insuficiente generación de alcalinidad y metanocuando se depuran aguas residuales muy diluidas.

Cinética lenta a bajas temperaturas. Arranque lento si no se dispone de inóculo Ciertos compuestos como NH4

+, PO43- y S2- quedan

en disolución. Por este motivo, si es necesario, setiene que usar un tratamiento posterior.

Desventajas del tratamiento anaerobiode alta velocidad

Desarrollado en los años 70 en Holanda, por el Dr. GatzeLettinga. Actualmente es un reactor muy utilizado parael tratamiento de aguas residuales industriales ydomésticas.

En este tipo de reactor, la biomasa es retenida en elreactor gracias a la formación de gránulos bacterianoscon buenas características de sedimentación.

El reactor UASB (Upflow AnaerobicSludge Blanket )

El reactor UASB

La correcta distribucióndel afluente

su velocidad ascensionalconstante y

el gas producido

favorecen

la mezcla del sistema el contacto de la biomasa

con el agua residual, y la granulación de la

biomasaAfluente

Efluente

Campana

Biogás

Burbujas de gas

Gránulos de lodo


de gas

Sedimen-tador

Mantode lodo

Separador gas/líquid/sólido

Sistema de Separación GLSS

El reactor UASB

Gránulos anaerobiosSon agregados de microorganismos.Tienen diámetros de 0.5 a 2 mm.Presentan altas velocidades de sedimentación (30-80m/h).La etapa de arranque del reactor es crítica paraconseguir gránulos adecuados. En esta etapa se sugiere

Fuente: Papelera Roermond, Holanda.

operar aplicando fuertesdiluciones al influente, ademásde trabajar a una velocidadascensional constante.

El reactor UASB

La habilidad para la sedimentación de los gránulos es unode los principales factores que permite alcanzar altasconcentraciones de microorganismos y por lo tanto aplicaraltas velocidades de carga orgánica.

Fuente: Papelera Roermond, Holanda. Fuente: Jim A. Field y Reyes Sierra

El reactor UASBGránulos anaerobios

Se aplica al tratamiento de aguas residuales con DQOaltas (>2500 mg/L), con bajas concentraciones desólidos suspendidos. En zonas de climas favorables trataefluentes domésticos.Los parámetros típicos de operación para el tratamiento

de aguas residuales industriales son:-Velocidad de carga orgánica= 5-15 kgDQO/m3.d-Tiempo hidráulico de residencia = 2-0,2 d-Concentración de biomasa=30–40 kg SSV/m3

-Velocidad ascensional del líquido= 0.5 – 1,3 m/hEficacia = depende del tipo de agua residual que se

trata. Por lo general, la eliminación de DQObiodegradable está generalmente entre 80 y más de90%.

El reactor UASB

Otros sistemas anaerobios de altavelocidad

Reactor de Contacto Anaerobio

Reactor EGSB


Reactor Anaerobio de Lecho Fluidizado

soporte

Influente

Recirculación

Efluente

Bio-película

Biogás


Otros sistemasanaerobios dealta velocidad

Biogas removal

Gas/Liquid separator

Influent Distribution sistem

Expanded Bed Compartiment

1st Separator

2nd Riser

Effluent Removal

Downer

2nd Separator

1st riser

Polishing Compartimer

Gaslift

Reactor de Circulación Interna (IC)

Aguas residuales de:

Industria cervecera y de bebidas

Industria de alimentos

Industria papelera

Destilerías de alcohol e industria de fermentación

Agua residual doméstica preferentemente en zonascon climas cálidos.

Aplicaciones de la Tecnología Anaerobiade Alta Velocidad

Aguas residuales de:

Industria textil

Industria química y petroquímica

Nuevas Aplicaciones de la TecnologíaAnaerobia de Alta Velocidad

58

65

71

71

76

87

136

159

207

336

0 50 100 150 200 250 300 350 400

10. Beverages

9. Manure codigestion

8. Chemicals

7. Organic solid waste

6. Sugar

5. Pulp and paper

4. Alcohol distilleries

3. Domestic wastewater

2. Beer

1. Food

number of plants

Efluentes Tratados

Fuente: Dr. Lucas Seghezzo y Lettinga Associates Foundation

162

115

91

83

79

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Japón

Alemania

Holanda

Estados Unidos

India

Número de reactores

Países líderes en tratamiento anaeróbicode ARI


Empresas líderes


262

200

96

68

59

56

54

39

28

27

23

50

50

0 50 100 150 200 250 300 350

Paques

Biothane

Biotim

ADI Systems Inc.

Purac AB

Degrémont

Enviroasia

Kurita

Shinko Pantec

TBW GmbH

BIOTEC

Número de plantas

UASBICEGSB

21

33

50

50

66

104

112

793

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

8. Lecho fluidizado

7. Reactores híbridos

6. EGSB

5. Circulación interna

4. Lagunas anaeróbicas

3. Filtro anaeróbico

2. Contacto anaeróbico

1. UASB

Número de reactores

Sistemas más comunes (empresaslíderes)


13

20

25

28

37

0 5 10 15 20 25 30 35 40

5. China

4. India

3. Brazil

2. Colombia

1. Mexico

number of plants


Países líderes en tratamiento anaeróbicode ARD

Configuraciones de reactores anaerobios

Fuente: Dr. Mario Takayuki Kato

Fuente:Dr. Mario Takayuki Kato


Fuente:Dr. Carlos A. Chernicharo de Lemos


Reactores de Lecho fluidizado ysistema de lodos activados.Cervecera El Águila (Madrid-España). Volumen 400 m3.


Caso Ambev Perú

Reactores anaerobios de alta velocidaden Perú

Fuente: Ing. Claudia Pino, Gerente de Medio Ambiente - Ambev Perú.

Tratamiento preliminar; Reactores UASB (12), Filtrospercoladores ; Sedimentadores Secundarios, Desinfección. Población atendida: 450 mil personas (877 L/s)

Reactores anaerobios de alta velocidaden Perú

Caso PTAR de la ciudad de Iquitos

Se hacen con el fin de evaluar la viabilidad de untratamiento anaerobio.

Entre ellos: test de biodegradabilidad del agua residual test de actividad metanogénica específica del

lodo El test de actividad facilita la elección de un lodo

como mejor inóculo en la etapa de puesta enmarcha, o permite estudiar la adaptación del lodo alefluente residual durante la operación.

Ensayos anaerobios de laboratorio

Test de actividad metanogénica

La máxima cantidad de gas metano producido por día,calculado por gramo de bacteria, producido en óptimascondiciones: g CH4-DQO/gSSV.día

Se ajusta el pH a 7 Se usa acetato como sustrato

Volumen Reactor = 500 ml

NaOH al 25 g/L

5 gSSV/L

Fuente: Prof.Dr.ir. Jules B. van Lier

Soto M., Méndez R y Lema J.M. (1992).

Resultados y cálculos:actividad metanogénica

020406080

100120

0 50 100 150 200

V (m

L C

H4)

Tiempo (Horas)

Prueba de Actividad Metanogénica

y = 0.8925x - 21.129R2 = 0.9961

020406080

100120

0 50 100 150 200

V (m

L C

H4)

Tiempo (Horas)

Prueba de Actividad Metanogénica

• La equivalencia en DQO del CH4 es como sigue:CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O

• De la ecuación: Por 1 mol de CH4 (ó 16g) consumida, 2 moles de O2equivalente se consumen (64g).• Es decir, 0,0156mol de CH4 es equivalente a 1g de O2 (o DQO).• Usando la ecuación de los gases ideales se calcula el volumen deCH4 equivalente a 1g DQO consumida, a las condiciones de 20ºC y 740mmHg (0,97 atm) de presión:

P.V = n. R. TDonde R: 0,082 L. atm/mol.K0,97 atm x V = 0,0156 mol x 0,082 L. atm/mol.K x (20 + 273) K

V = 0,386 L = 386 mL• Finalmente la Actividad Metanogénica es:

Actividad = (0,89mL CH4/h) x (24 h/día) x (1g DQO/386mL CH4) x(1/2.5 gSV)

Actividad = 0,022 g DQO/g SV.día

Resultados y cálculos : actividad metanogénica

Los valores típicos en un reactor anaerobio que trata efluentescomplejos están entre 0,5 y 2 gDQO.SSV-1.d-1.

Comparación de actividades metanogénicas de los gránulostratando diferentes residuos.

El reactor UASB

Permite estimar la fracción de DQO que puede sereliminada y la fracción que permanece en el efluente.

Se tienen en cuenta las siguientes definiciones: Porcentaje de DQO eliminada:

%E = %DQOe = [(DQOi-DQOs)/DQOi]*100 Porcentaje de materia orgánica que permanece como

AGV en el efluente:%AGV = [(DQOAGV)s/DQOi]*100

Porcentaje de metanización:%M = [(DQOCH4)s/DQOi]*100

Porcentaje de biodegradabilidad anaerobia:%BDA=%E+%AGV

Test de Biodegradabilidad Anaerobia

Condiciones experimentales: (Soto M, et al 1992) Usar una concentración de 5,0 g SSV/L cuando la

actividad del lodo < 0,2 g DQO/gSSV.d. Puede reducirsehasta un valor mínimo de 1,5 g SSV/L para lodos conactividades superiores.

Para la concentración de agua residual, utilizar unadilución tal que se obtenga una DQO deaproximadamente 5 g/L para reducir la posibilidad deuna rápida acidificación.

Se recomienda un aporte de alcalinidad de 1 gNaHCO3/gDQO

El material utilizado en estos ensayos es similar aldescrito para el test de actividad metanogénica.

Test de Biodegradabilidad Anaeróbica

ResultadosBiodegradabilidad Anaerobia

Producción Acumulada de metano en un ensayo de biodegradabilidadanaerobia de agua residual de una industria de conservas de productosmarinos

. El ensayo se realizó a diferentes concentraciones de agua residual(40.8 y 81.4%).

81,4%

40,8%

Blanco

Biodegradabilidad del efluente de una conservera de pescado.

Los resultados señalan la existencia de toxicidad desodio, al existir en el ensayo E2 una elevadaconcentración de AGV y bajo porcentaje de metanizacióndespués de 22 días de digestión.

ResultadosBiodegradabilidad Anaerobia

Eliminación de Materia Orgánica Biodegradable:

Métodos Anaerobios

Dra. Rosemary Vela [email protected]

Eliminación de Materia Orgánica Biodegradable: Métodos Anaerobios

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