Digestion Anaerobia - Fernandez Polanco

Facultad de Ingeniería Ambiental y Recursos Naturales
Depuración Anaerobia de Aguas Residuales
Fernando Fdz-Polanco
Dpto. Ingeniería Química y
Tecnología del Medio Ambiente
Universidad de Valladolid

PROCESOS BIOLÓGICOS ANAEROBIOS
1. BASES DE LOS PROCESOS ANAEROBIOS
2. FACTORES DE OPERACIÓN
3. CONFIGURACIÓN DE REACTORES
4. PARÁMETROS DE DISEÑO
5. TRATAMIENTO INTEGRADO
Tratamiento de Anaerobio de Aguas Residuales. Lima Septiembre 2014

CH4 + CO2
(biogás)
M.O.
SUSTRATO
(líquido) (sólido)
M.O. NO DEGRADADA
(líquido)
C5H7NO2
PRINCIPIO DE
CONSERVACIÓN
DE MATERIA

5. TRATAMIENTO INTEGRADO
AEROBIO ANAEROBIO
CH3COOH + 2 O2 ® 2 CO2 + 2 H2O
+ ENERGÍA
CH3COOH ® CO2 + CH4
+ 2 O2
CO2 + 2 H2O + ENERGÍA
pérdidas
mantenimiento
síntesis
100% E sustrato
pérdidas
productos
mantenimiento
síntesis
100% E sustrato

residuo particulado complejo y biomasa inactiva
hidratos de C proteínas lípidos
azucares aminoácidos AGCL
propionato VaH BuH
acetato CO2 H2
CH4
inertes
particulados
inertes solubles
acidogénesis de azucares
acidogénesis de aminoácidos
acetogénesis de AGCL
acetogénesis de propionato
acetogénesis de VaH y BuH
metanogénesis acetotrófica
metanogénesis hidrogenotróf.

enzimas extracelulares
reacciones intracelulares

M.O.
AGV
acetato
CH4
•crecimiento lento
•sensibles
•características críticas
M.O.
AGV
acetato
CH4
ACUMULACIÓN!!
- acidificación
- toxicidad

METANOGÉNICAS SULFATORREDUCTORAS (BSR)
CH3COO- + H2O ® CH4 + HCO3
-
ΔGº´= - 6.8 kcal/mol
4 H2 + CO2 + 2 H+ ® CH4 + 2 H2O
acetato CO2 H2
CH4
CH3COO- + SO4
= + H+ ® H2S + 2 HCO3
-
4 H2 + SO4
= + 2 H+ ® H2S + 4 H2O

nitrógeno
bacterias
fijadoras de N2
proteína
vegetal
muerte excreciones
2. ANÓXICO
proteína
animal
bacterias
desnitrificantes
nitratos
alimento
nitritos
compuestos
de amonio
absorción por plantas
bacterias
nitrificantes
(Nitrobacter)
bacterias nitrificantes
(Nitrosomonas)
muerte
bacterias
fijadoras de N2
NKT ® N-NH4
+
1. AEROBIO

1. ANAEROBIO
Poli-P
Pi+E
HSCoA
moléculas
CoA
orgánicas simples
Ciclo
TCA
NADH2
NAD
PHB
Pi
2. AEROBIO O
ANÓXICO
O2 o NO3
-
Pi PHB
HSCoA
CO2
ADP+Pi
H2O o N2
ATP

2. FACTORES QUE INFLUYEN EN EL PROCESO
ARRANQUE
pH, ALCALINIDAD Y AGV
NUTRIENTES
INHIBIDORES
TEMPERATURA
MEZCLA
BIOGÁS
Biodegradación rápida
Producción de biogás
Elevado crecimiento
Estabilidad

1. ARRANQUE
residuo particulado complejo
hidratos de C proteínas lípidos
azucares aminoácidos AGCL
propionato VaH BuH
acetato CO2 H2
CH4
residuo complejo
hidrólisis +
fermentación
acetato H2
metanogénesis
CH4

1. ARRANQUE
residuo complejo
hidrólisis +
fermentación
acetato H2
metanogénesis
CH4
EQUILIBRIO ENTRE AMBAS ETAPAS
¿CÓMO SE REALIZA EL ARRANQUE?
1. inóculo adecuado (lento crecimiento
Þ cuanto más mejor)
2. agua
3. temperatura
4. tamponar para evitar caída de pH
5. MO de modo que no se forme más de
2-4 g/L AGV manteniendo pH 6.8-7.6
6. control diario de pH y AGV(AcH, PrH,
BuH, IBuH por cromatografía)
7. 108-109 microorganismos/mL reactor
8. 1 a 4 meses Þ mayor estabilidad

2. pH Y ALCALINIDAD (6.6-7.6 problemas de acidificación)
primera etapa
acidogenesis
sseegguunnddaa eettaappaa
generación
AGV
disminución pH aumento pH
proceso global
pH constante
AcH Û Ac- + H+
Ac- H+
Ac- H+
AcH
Consumo
AGV

2. pH Y ALCALINIDAD (6.6-7.6 problemas de acidificación)
CO (g) «
CO (ac)
2 2
CO (ac) + H O «
H CO
2 2 2 3
-
H CO « HCO +
H
2 3 3
= +
+
-
3
HCO « CO +
H
3
K 38 atm/mo l(35ºC)
= =
H
[CO (g)]
2
[H CO *]
2 3
H CO * = CO (ac) +
H CO
2 3 2 2 3
7
-
K = 5 × 10 (35ºC) Þ pK =
6.3
11
a,1
a,1
-
K = 6 × 10 (35ºC) Þ pK =
10.2
a,2
a,2
100
% H2CO3 HCO3- CO3=
80
60
40
20
0
0 2 4 6 8 10 12 14 pH

2. pH Y ALCALINIDAD
ALCALINIDAD es la capacidad del agua para neutralizar ácidos.
Es la concentración de hidróxidos, carbonatos y bicarbonatos de un agua (mg CaCO3/L)
Relación pH/alcalinidad/CO2
alcalinidad
50000
pH = pK + log
a,1 2
[CO ]
H
K
pH>6.5 500-900 mg CaCO3/L 24-45% CO2
en el biogás
2 3
-
HA + HCO3 « A + H CO Efecto de los AGV -
Neutralización cal Ca(OH)2 NaHCO3 no tiene problemas pero es caro y toxicidad del Na
Na2CO3 NaOH
NH3 toxicidad
NH4HCO3
más barato
formación de CaCO3
consumo de CO2 Þ vacío
hidróxidos y carbonatos:
consumo de CO2 Þ vacío

3. NUTRIENTES • efluente urbano
• efluente agroalimentario
• efluente industrial (estudios de laboratorio)
DOSIS
estequiometría
N Þ 12% peso celular
P Þ 2% peso celular
S Þ 2% peso celular
- SO4
= presente en el AR
- adición sin exceso
- sulfuro metálico insoluble
trazas para activación enzimática
- Fe, Co, Ni
cationes comunes
- presentes en las aguas
- 40-60 mg/L
- evitar desequilibrio entre ellos
mg/g DQO exceso
mg/L adición
N 5-15 50 NH3, NH4Cl, NH4HCO3
P 0.8-2.5 10 NaH2PO4
S 1-3 5 MgSO4· 7 H2O
Fe 0.03 10 FeCl2· 4 H2O
Co 0.003 0.02 CoCl2· 2 H2O
Ni 0.004 0.02 NiCl2· 6 H2O
Zn 0.02 0.02 ZnCl2
Cu 0.004 0.02 CuCl2· 2 H2O
Mn 0.004 0.02 MnCl2· 4 H2O
Mo 0.004 0.05 NaMoO4· 2 H2O
Se 0.004 0.08 Na2SeO3
T 0.004 0.02 NaWO4· 2 H2O
B 0.004 0.02 H3BO3
Na 100-200 NaCl, NaHCO3
K 200-400 KCl

4. INHIBIDORES
ESTIMULACIÓN
INHIBICIÓN
concentración
óptima
SIN EFECTO
concentración
tasa de reacción biológica
ANAEROBIO Þ efecto es peor:
• las AR presentan altas cargas
y también de inhibidores
• tasas de crecimiento bajas
ADAPTACIÓN Þ SOLUCIÓN
elegir un cultivo que se adapte mejor
DIVERSIDAD BIOLÓGICA
dificultad para conocer la concentración tóxica
ensayos biológicos (test de toxicidad)

4. INHIBIDORES
4.1. SALES ESTIMULACIÓN
INHIBICIÓN
MODERAD
A
FUERTE
INHIBICIÓN
Na 100-200 3500-5500 8000
K 200-400 2500-4500 12000
Ca 100-200 2500-4500 8000
Mg 75-150 1000-1500 3000
EFECTO
ANTAGÓNICO

4. INHIBIDORES
4.2. AMONIACO • degradación anaerobia de proteínas Þ NH4
+ « + + = × • NH4
NH NH H K 5.5 10
100
80
60
40
20
+/NH3
• AR matadero o purines
pK 9.3
a
-10
4 3 a
=
+ inhibición a 3000 mg/L
• NH3 inhibición a 100 mg/L
0
0 2 4 6 8 10 12 14 pH
%
NH +
4
NH4+ NH3 NH3

4. INHIBIDORES
4.3. SULFUROS SO = ¾¾¾¾® BSR S =
/HS -
4 /H2S (ac) « H2S (g)
K 13 atm/mo l(35ºC)
-
+
H S HS H pK 7.04
-
« + =
a1
2
= +
HS « S + H pK =
12.9
a2
H S (ac) H S (g) [H S (g)]
2 2 2
« = =
[H S (ac)]
H
2
100
80
60
HS- H2S HS- S=
40
20
0
0 2 4 6 8 10 12 14 pH
%
H2S

- affect the intracellular pH
HS- - MA the most sensitive
COD
H2S
S-compounds
ANAEROBIC DIGESTER
CH4/CO2
H2S
Sulphide
BIOGAS
 odour
 corrosion
 toxic to humans
EFFLUENT
 increase COD
 bulking
REACTOR
 inhibition
 accumulation of
inert material in
the sludge (metal
sulphides)
 growth of
filamentous
bacteria
ENERGY BALANCE
 less CH4
 biogas treatment
H2S < 200 mg/Nm3
< 0.013% (v/v)

4. INHIBIDORES
4.4. METALES Co, Ni, Zn, Cd, Hg presentan inhibición » 1 mg/L
evitar su entrada en el reactor
precipitación de sulfuros metálicos (insolubles y no tóxicos)
PROBLEMA
dosis S= Þ toxicidad
SOLUCIÓN
FeS - Fe es desplazado por los metales
- Fe no es tóxico
4.5. TÓXICOS ORGÁNICOS comunes a muchos residuos industriales
adaptación Þ degradación - fenol
- cloroformo

4. INHIBIDORES
CONTROL
1. eliminación del tóxico del influente
2. dilución Þ mayores volúmenes
3. precipitación o complejos (Cu, Zn
como sulfuros con SO4
=, cuidado
con la dosificación!!)
4. variación del pH
5. adición de sustancias antagónicas
a las que producen toxicidad
EJEMPLOS
• detergentes con cationes de amonio cuaternario
• AGCL con Ca se complejan
• pH cambia la toxicidad:
- NH4
+/NH3 (pH ácido)
- CH3CH2COOH / CH3CH2COO- (pH básico)

5. TEMPERATURA
• importante por la lenta velocidad de crecimiento
• tasa de crecimiento se duplica cada 10ºC
• a T mayor de la óptima se destruyen enzimas
tasa de crecimiento
CLASE INTERVALO (ºC)
psicrófilas -5 a 20
mesófilas 8 a 45
termófilas 40 a 70
hipertermófilas 65 a 110
0 20 40 60 80 100
T (ºC)
ELECCIÓN DEPENDE
DE LA CARGA (CH4)
VENTAJAS
mayor temperatura Þ
mayor actividad Þ
menor volumen
DESVENTAJAS
• coste energético
• pérdida de la capacidad
del sistema si hay un
fallo en la calefacción

5. TEMPERATURA Aislamiento
Sistema de calefacción
INTERNA (30%)
Elevada temperatura en la
superficie del cambiador
produce precipitación de
proteínas en la superficie del
cambiador Þ mayor superficie
EXTERNA (25%)

sedimentación
zonas muertas
mezcla
6. MEZCLA
Temperatura y condiciones homogéneas
Distribución de nutrientes
Mejora el contacto
Evita sedimentación
Evita zonas muertas

6. MEZCLA. SISTEMAS DE MEZCLADO
1. RECIRCULACIÓN DE LÍQUIDO (bomba)
recirculación interna
recirculación externa
2. RECIRCULACIÓN DE GAS (compresor)
difusión de gas
gas lift

6. MEZCLA. SISTEMAS DE MEZCLADO
3. MEZCLA MECÁNICA 4. COMBINACIÓN DE SISTEMAS
- recirculación de líquido + gas
- recirculación de líquido + mezcla mecánica
- recirculación de gas + mezcla mecánica

7. PRODUCCIÓN Y COMPOSICIÓN DEL BIOGÁS
• valor energético CH4 = 35.8 kJ/L
influente
104 m3/d
20 g DQO/L
estabilización
C6H12O6 ® 3 CO2 + 3 CH4
C6H12O6 + 6 O2 ® 6 CO2 + 6 H2O
0.350 L CH
eliminada
3 CH 4
3 22.4 L CH
=
6.3 10 m CH
0.350 m CH
4
× × = ×
2.26 10 kJ
10 m
35.8 10 kJ
18 kg BOD
L elim
6.3 10 m CH
4
2
4
2
g DQO
6 32 g O
6 O
×
= ×
• relación entre MO
eliminada y el metano
producido
• eliminación de MO
d
m CH
d
d
kg BOD
d
m
9
4
3
4 3
3
4
4
3
4
L
3 3
4
3
× × × = ×
90%
efluente
104 m3/d
2 g BODL/L
biogás
• composición 70-75% CH4 30-25% CO2

7. PRODUCCIÓN Y COMPOSICIÓN DEL BIOGÁS
metanol
grasas
algas y bacterias
proteinas
hidratos de C, ácido acético
ácido cítrico
ácido fórmico, CO
-4 -2 0 2 4
ácido oxálico
urea
100
50
0
composición del biogás (% CH4)
Estado de oxidación del C

3. CONFIGURACIONES DE REACTORES
biogás
1. MEZCLA COMPLETA
MEZCLA (no se usaba inicialmente)
• mejora el contacto
• evita la sedimentación (disminuiría el Vútil)
TRH
• 25 d
• evita la purga porque es muy alto
INCONVENIENTE
sólo se obtienen altas cargas por unidad
de volumen para influentes de 8000 a
50000 mg BODL/L mejora el contacto
SOLUCIÓN
separar THR del SRT
ALIMENTACIÓN Þ fangos municipales
• 2.5 a 15% TS
• del 100% de los SS ® 65 % VSS
50% biodegradables ¿

REACTOR DE MEZCLA COMPLETA

REACTOR DE MEZCLA COMPLETA
Estabilización de lodos (DA). Huevos
Tratamiento de Anaerobio de Aguas Residuales. Lima Septiembre 2014 36

biogás biogás
2. CONTACTO (análogo FA)
1955
Para residuos de conservas con
1300 mg BODL/L
INCONVENIENTE
flotación en el sedimentador por desorción
Þ problemas más grave que en aerobio por
la baja tasas de crecimiento
SOLUCIÓN
aplicar vacío antes del sedimentador para
eliminar la sobresaturación del gas

biogás biogás biogás biogás
3. BIOFILTROS
ASCENDENTE (análogo a filtro aerobio)
Medio rocoso
- poco volumen de vacío
- poca área específica
Þ medio plástico
Obstrucción y SS en el efluente
Þ aguas sin SS
Þ ascensión turbulenta del biogas
Buena retención de biosólidos, muy aplicado
DESCENDENTE
- los sólidos se acumulan en la
superficie (más sustrato, Þ más
crecimiento)
- H2S (inhibidor) se forma en la parte alta
APLICACIÓN
• alimentación
• bebidas
• farmacia
• industria química

biogás biogás
4. LECHOS FLUIDIZADO Y EXPANDIDO
FLUIDIZADO
VENTAJAS
- gran espacio de poro Þ menor obstrucción
Þ menos cortocircuitos
- elevada área específica
ß
MAYOR EFICACIA RESPECTO
A LA CARGA POR UNIDAD DE VOLUMEN
INCONVENIENTES
- conseguir BP fuertemente adherida
- proporción adecuada de BM en la BP
- recirculación (menor FP y coste energético)
EXPANDIDO
• menor velocidad de flujo ascensional
• mejor captura de sólidos
• peor transferencia de materia
• cortocircuitos

REACTORES ANAEROBIOS

biogás biogás biogás
5. UASB (http://www.uasb.org) problema de granulación
ß
conocimiento de los
factores de granulación
biogás
APLICACIÓN
• alimentaria
• papelera
• industria química

Separador Gas-Líquido-Sólido (GLS)

REACTORES ANAEROBIOS
BIOPAQ® IC

biogás 6. REACTOR COMPARTIMENTADO
- biomasa pasa a la cámara siguiente
- se puede sedimentar y recircular a la 1ª cámara

biogás biogás
7. LECHO PERCOLADOR Y FILTRO PERCOLADOR
1. hidrólisis (célulosa)
2. metanogénesis
DIGESTIÓN EN DOS ETAPAS

biogás
membrana
biogás biogás
8. R. DE MEMBRANA
no hay pérdida de biomasa
mejora la calidad del efluente
la CV puede aumentarse
ß
COSTE

MEMBRANAS HUECAS
MEMBRANAS
SUMERGIDAS

biogás
membrana
biogás
biogás a aerobio biogás

ventajas desventajas
 elevada capacidad tratamiento
 bajo THR
 adaptación a diferentes aguas
 aguas diluidas y cargadas
 resistente fluctuaciones de carga
 rápido rearranque
 requiere poca superficie
 puesta en marcha difícil
 riesgo de oclusiones
 limitado a aguas con pocos SS
 elevado contenido SS efluente
 sensible altas concentraciones Ca
 elevado coste de relleno
muy alta capacidad tratamiento
muy bajos THR
diferentes tipos de aguas
aplicable a aguas con sólidos
insensible sobrecargas
orgánicas
aplicable a aguas con tóxicos
requiere poca superficie
3. REACTORES
puesta en marcha difícil
alto consumo energético
dificultad controlar expansión del
lecho
elevada concentración de SS efluente
diseño y cambio de escala
complicado
poca experiencia a escala industrial
elevado coste de relleno
 elevada capacidad
tratamiento
 bajo THR
 alta eficacia eliminación DQO
 bajo requerimiento energético
 no necesita soporte
 fácil construcción
 gran experiencia práctica
 proceso de granulación difícil de controlar
 la granulación depende del agua
 la puesta en marcha puede requerir fango granular
 sensible a sobrecargas orgánicas
 útil para agua sin SS
 Ca+2 y NH+ inhiben la granulación
4
 el rearranque puede provocar la flotación de los
gránulos
 requiere grandes superficies
UASB
BIOFILTRO
LECHO FLUIDIZADO

BIOFILTRO 3. REACTORES
distribución uniforme alimentación
taponamiento
caminos preferentes
lavado del lecho
acumulación de inertes
separación de lodos efluente
LECHO FLUIDIZADO
control de la expansión del lecho
distribución uniforme alimentación
flotación de partículas
cambio propiedades fluidización
desprendimiento biopelícula
poca experiencia industrial
UASB
control expansión lecho
estabilidad fluctuaciones alimentación
retención de biomasa en sobrecargas
acumulación de inertes
flotación de la biomasa
LIMITACIONES DE OPERACIÓN
COMPARACIÓN comportamiento UASB BF LF
puesta en marcha
acumulación de biomasa
mezcla fase líquida
sobrecargas hidráulicas
sobrecargas orgánicas
admisión SS
riesgo de oclusiones
riesgo flotación biomasa
necesidad de control
-
++
+-+-
++
-+
-++
++
++-++
-
++
++
++
+
++
++
+-

EXPRESIONES BÁSICAS
μˆ S
ö
= ÷ ÷ø
æ
=
ç çè
sin +
K S
dX
a
dt
μ 1
X
sin
a
æ
ö
= f b
ago - = ÷ ÷ø
b
dX
a
dt
μ 1
X
ago
a
ç çè
dX
a
dt
1
X
ö
÷ø
÷ = - d
× res
a
æ
ç çè
(1 f ) b
dX
a
dt
1
X
dX
dt
1
X
ö
= - - d
÷ø
÷ × inert
a
i
a
æ
ç çè
-
= = + = b
μˆ = qˆ × Y
μ 1 sin ago
μ μ μˆ S
K S
dX
dt
X
i
a
-
+
1
θ = biomasa activa del sistema = -
x μ
producción de biomasa activa
θ VX
a
x = = =
qˆS
μ Y -
qˆS
= ut Xa
x
S K 1 +
bθ
X = Y (Sº -
S)
S K b min -
= + [ ] Yqˆ b
θmin K Sº
x -
o o
Y Y 1 (1 f )bθ
d x
= + -
f = f 1 + (1 -
f )bθ
º d x
f f 1 + (1 -
f )bθ
x d ºe
e 1 bθ
θ 1
D
QX
a
BALANCES DE MATERIA BÁSICOS AL SUSTRATO (S) Y BIOMASA ACTIVA (Xa)
b
K +
S
K S
r
+
= -
x [ x ]
Yqˆθ - 1 +
bθ
=
x
a 1 +
bθ
Yqˆ b
=
Sº (Yqˆ b) - Kb
θ 1 lim
min
x =
-
BALANCES DE BIOMASA INERTE (XI) Y SÓLIDOS VOLÁTILES (XV)
X X o
Xa (1 fd )bθ
i = i + - X i, max = X i + (S - Smin )Y(1 -
fd )
x
n 1 +
bθ
x
s s 1 +
bθ
x
+
=
1. Modelos Cinéticos
2. Modelos Empíricos

BASES DE DISEÑO CONTACT
O BIOFILTRO
LECHO
FLUIDIZAD
O
UASB
CV (kg DQO/m3.d)
THR (d)
concentración fangos (kg SSV/m3)
tiempo arranque (d)
carga efluente (g DQO/L)
1-6
1-5
5-10
20-60
10-16
0.75-3
10
30-60
0.4-30
10-40
2-10
10-40
60-90
5-30
0.2-2
10-60
30-90
0.3-800
1. Modelos Cinéticos
2. Modelos Empíricos

Sistema integrado anaeróbico-aeróbico
UUAASSBB
TTrriicckklliinngg
ffiilltteerr
TTiilltteedd ppllaattee
sseettttlliinngg ddeevviiccee
 UASB + Lechos Percoladores + Sedimentación secundaria

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