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