Procesos de tratamiento anaerobio

Diseo de plantas de tratamiento biolgico de aguas residuales

Procesos de tratamiento anaerobios

Procesos de tratamiento de cultivo en suspensin:

El ms comn es el proceso de digestin anaerobia de mezcla completa.

Contacto anaerobio

Proceso anaerobio de manto de fangos de flujo ascendente (UASB)

Digestin anaerobia

Es el proceso ms antiguo empleado para la estabilizacin de lodos primarios y lodos biolgicos.

En este proceso se produce la descomposicin de la materia orgnica e inorgnica en ausencia de oxgeno molecular.

Es utilizable en lodos concentrados producidos en plantas de tratamiento de aguas residuales y de determinados residuos industriales, aunque se ha demostrado recientemente que los residuos orgnicos diluidos tambin pueden ser tratados por este proceso.

Descripcin del proceso de digestin anaerobia

Aplicacin a lodos primarios y lodos secundarios Condiciones anaerobias (ausencia de oxgeno). Los productos principales de esta digestin son metano

y dixido de carbono. El proceso se lleva a cabo en un reactor

completamente cerrado. Los lodos se introducen en el reactor de forma

continua o intermitente y permanece en su interior durante periodos de tiempo variables.

El lodo estabilizado se extrae del proceso continua intermitentemente y generalmente contiene un bajo contenido de materia orgnica y patgenos, y no es putrescible.

Descripcin del proceso

Digestores de alta y baja carga. En los digestores de baja carga no se calienta ni se mezcla el

contenido del reactor y los tiempos de retencin celular oscilan entre 30 y 60 das.

En los digestores de alta carga el contenido del reactor se calienta y se mezcla completamente. El tiempo de retencin es de 15 das o menos.

La combinacin de estos dos procesos se conoce como proceso de doble etapa.

La funcin bsica de la segunda etapa consiste en separar los slidos digeridos del lquido sobrenadante, aunque puede tener lugar una digestin adicional y una cierta produccin de gases.

Microbiologa del proceso

Acidognesis

Microbiologa del proceso: Hidrlisis (primera etapa)

La conversin biolgica de la materia orgnica de los lodos se produce en tres etapas:

1. Hidrlisis: transformacin por va enzimtica de los compuestos de alto peso molecular (polmeros orgnicos y lpidos), en compuestos que puedan servir como fuentes de energa y de carbono celular (monosacridos, aminocidos y compuestos relacionados).

Un grupo de microorganismos llevan a cabo esta etapa de hidrolizacin.

Microbiologa del proceso: Acidognesis (segunda etapa)

Conversin bacteriana de los compuestos producidos en la hidrlisis, en compuestos intermedios identificables de bajo peso molecular.

El grupo de microorganismos anaerobios llamadas no

metanognicas se encarga de la fermentacin de los productos hidrolizados para convertirlos en cidos orgnicos simples y el ms frecuente es el cido actico.

Las bacterias no metanognicas son bacterias facultativas (pueden obtener energa en ausencia de oxgeno, pero el oxgeno no les es txico) y anaerobias estrictas (crecen en una atmsfera sin oxgeno, ya que este elemento es txico para ellas).

Microbiologa del proceso: Acidognesis (segunda etapa)

Clostridium spp, peptococcus anaerobus, bifidobacterium spp, desulphovibrio spp, corynebacterium spp, lactobacillus, actinomyces, staphilococcus y echerichia coli.

Otros grupos fisiolgicos presentes incluyen los que producen enzimas proteolticas, lipolticas, ureolticas o celulticas.

Microbiologa del proceso: Metanognicas (tercera etapa)

Conversin bacteriana de los compuestos intermedios en productor finales ms simples, principalmente metano y dixido de carbono.

Las bacterias metanognicas o formadoras de metano, son

anaerobias estrictas y son comparables a las encontradas en los estmagos de los rumiantes y en sedimentos orgnicos tomados de lagos y ros. Los principales generos de microorganismos incluyen los bastoncillos (methanobacterium, methanobacillus) y las esferas (methanococcus, methanosarcina). Las bacterias ms importantes de este grupo, que son las que degradan el cido actico y el cido propinico, tienen tasas de crecimiento muy lentas, lo cual hace que sea un factor limitante del tratamiento.

Microbiologa del proceso: Metanognicas (tercera etapa)

La estabilizacin del lodo o residuo se alcanza cuando se produce metano y dixido de carbono.

El gas metano as producido es altamente insoluble, y su desprendimiento de la solucin representa la estabilizacin real del residuo.

Las bacterias metanognicas solo pueden emplear determinados sustratos para llevar a cabo su funcin (dixido de carbono e hidrgeno, formiato, acetato, metanol, metilaminas y monxido de carbono)

Reacciones tpicas de produccin de energa en la metanognesis

Microbiologa del proceso: Metanognicas (tercera etapa)

Los microorganismos metanognicos y los acidognicos comparten una relacin sintrpica o mutuamente beneficiosa, en la que los metangenos convierten en metano y dixido de carbono los productos finales de la fermentacin, tales como el hidrgeno, el formiato o el acetato.

Los metanognicos son capaces de mantener la presin parcial del hidrgeno a valores extremadamente bajos, el equilibrio de las reacciones de fermentacin se desplaza en el sentido de la formacin de productos finales ms oxidados (formiato y acetato).

Microbiologa del proceso: Metanognicas (tercera etapa)

La utilizacin del hidrgeno producido por los acidognicos y otras bacterias anaerobias, por parte de los microorganismos metanognicos, se conoce con el nombre de transferencia de hidrgeno entre especies. De hecho las bacterias metanognicas eliminan compuestos que pueden inhibir el crecimiento de los microorganismos acidognicos.

Microbiologa del proceso: Metanognicas (tercera etapa)

Con objeto de mantener un sistema de tratamiento anaerobio que estabilice correctamente el residuo orgnico, los microorganismos formadores de cidos y de metano se deben encontrar en un estado de equilibrio dinmico. Para mantener dicho estado, el contenido del reactor deber carecer de oxgeno disuelto y estar libre de concentraciones inhibitorias de constituyentes tales como los metales pesados y los sulfuros.

Adems el agua debe presentar valores de pH entre 6.6 y 7.6. Tambin deber de existir una alcalinidad suficiente para que el pH del sistema no descienda de 6.2 puesto que este punto marca el lmite de actividad de las bacterias formadoras de metano.

Microbiologa del proceso: Metanognicas (tercera etapa)

Mientras la digestin prosiga con normalidad, la alcalinidad oscilar entre 1000 y 5000 mg/L, y la concentracin de cidos voltiles ser inferior a 250 mg/L.

Es necesario disponer de suficiente cantidad de nutrientes tales como nitrgeno o fsforo, para asegurar el crecimiento adecuado de la comunidad biolgica.

La temperatura tambin es un parmetro ambiental importante, ya que los intervalos ptimos son el mesoflico (30 a 38C) y el termoflico (49 a 57C)

Microorganismos que intervienen en los procesos

1. Hidrlisis: predominan bacterias Gram+ incluidas en los gneros Clostridium yStaphyloccocus, y Bacteroides Gram-.

2. Acidognesis: a) Fermentacin: predominan bacterias Gram + del cido lctico y

relacionadas:Lactobacillus, Streptoccocus, Staphylococcus, Microccocus; Gram -:Escherichia, Salmonella, Veillonela y reductoras de sulfato.

b) -oxidacin: Clostridium, Syntrophomonas 3. Acetognesis: sintrofobacterias tales como Syntrophobacter wolinii y

S. wolfei 4. Metanognesis: a) Hidrogenotrfica: Methanobacterium, Methanobrevibacter b) Hidrogenoclstica: Methanosarcina y Methanosaeta

(antesMethanotrix)

Anlisis del proceso de digestin anaerobia

Comparativo entre el proceso aerobio y anaerobio.

Lento crecimiento de las bacterias formadoras de metano.

Altos tiempos de retencin.

Solo una pequea parte del residuo orgnico biodegradable se esta sintetizando en nuevas bacterias.

Gran produccin de metano (gas til)

Anlisis del proceso de digestin anaerobia

Debido a la baja tasa de crecimiento celular y de conversin de la materia orgnica a metano y dixido de carbono, la materia slida resultante suele estar excelentemente estabilizada.

Despus de un proceso de secado o deshidratacin, el material puede ser vertido en rellenos sanitarios, para compostaje o para aplicacin en terreno.

Debido a la gran proporcin de materia celular orgnica, los slidos del lodo resultante de procesos aerobios se suelen digerir de forma anaerobica.

Anlisis del proceso de digestin anaerobia

Los tiempos de retencin hidrulica coincide con el tiempo de retencin celular.

Un inconveniente de este proceso son la temperatura a aplicar al reactor, a veces demasiado altas para conseguir la estabilizacin de los lodos, ya que conforme aumentas la temperatura, es mnimo el tiempo de retencin celular para alcanzar el tratamiento, y por lo tanto de tiempo de retencin hidrulica asociado, lo cual permite disponer de reactores de menor volumen.

Proceso anaerobio de contacto

Algunos residuos con alto contenido orgnico se pueden estabilizar muy efectivamente.

Los residuos que se desean estabilizar se mezclan con slidos del lodo recirculado y se digieren en un reactor cerrado. Despus de la digestin la mezcla se separa en un clarificador o una unidad de flotacin al vacio.

-debido a la baja tasa de sntesis de microorganismos anaerobios, el exceso de fango a evacuar es mnimo.

Este proceso es utilizable en la estabilizacin de efluentes de industrias crnicas y otras de alto contenido orgnico en estado soluble.

Proceso anaerobico de manto de fango de flujo ascendente

En este proceso el residuo se introduce en la parte inferior del reactor. El agua fluye en sentido ascendente a travs de un manto de fango constituido por grnulos o partculas formadas biolgicamente.

El tratamiento se produce al entrar en contacto el agua residual y las partculas. Los gases producido en condiciones anaerobias (principalmente metano y dixido de carbono) provocan una circulacin interior, que colabora en la formacin y mantenimiento de los grnulos.

Parte del gas generado dentro del manto de lodos se adhiere a las partculas biolgicas.

Tanto el gas libre como las partculas a las que se ha adherido gas, ascienden hacia la parte superior del reactor. Ah se produce la liberacin del gas adherido a las partculas, al entrar stas en contacto con deflectores desgasificadores.

Proceso anaerobico de manto de fango de flujo ascendente

Las partculas desgasificadas suelen volver a caer hasta la superficie del manto de fango.

El gas libre y el liberado por las partculas se captura en una bveda de recogida de gases instada en la parte superior del reactor.

El lquido que contiene algunos slidos residuales y algunos de los grnulos biolgicos, se conduce a una cmara se sedimentacin, donde se separan los slidos residuales.

Los slidos separados se reconducen a la superficie del manto de fango a travs de un sistema de deflectores.

Para mantener el manto de fangos en suspensin, es necesario que la velocidad del flujo ascendente tenga un valor entre 0.6 y 0.9 m/h

Configuracin de reactores tpicos empleados en el tratamiento anaerobio del agua residual

Configuracin de reactores tpicos empleados en el tratamiento anaerobio del agua residual

Configuracin de reactores tpicos empleados en el tratamiento anaerobio del agua residual

Configuracin de reactores tpicos empleados en el tratamiento anaerobio del agua residual

Procesos anaerobios de cultivo fijo

Filtro anaerobio: -es una columna rellena de diversos tipos de medios que se utiliza

para el tratamiento de la materia orgnica carbonosa contenida en el agua residual.

El agua a tratar fluye en sentido ascendente, entrando en contacto con el medio sobre el que se desarrollan y fijan las bacterias anaerobias. Dado que las bacterias estn adheridas al medio y no son arrastradas por el efluente, se pueden obtener tiempos medios de retencin celular del orden de los cien dias.

En este caso es posible conseguir grandes valores de tiempo de retencin celular con bajos tiempos de retencin hidrulica.

De tal modo que el filtro de este tipo se puede emplear para el tratamiento de residuos de baja concentracin a temperatura ambiente.

Procesos anaerobios de cultivo fijo

Proceso de lecho expandido El agua residual a tratar se bombea a travs de un lecho de material

adecuado (arena, carbn, conglomerado expandido) en el que se ha desarrollado un cultivo biolgico.

El efluente se recircula para diluir el agua entrante y para mantener un caudal adecuado que asegure que el medio se halle expandido.

Se han llegado a emplear concentraciones de biomasa superiores a 15,000-40000 mg/L. Debido a las altas concentraciones de biomasa que se pueden conseguir este proceso se puede utilizar en el tratamiento de aguas residuales municipales, con tiempos de retencin hidrulica muy pequeos.

En este proceso la presencia de sulfatos puede producir sulfuro de hidrgeno para cuya captura en la fase de solucin se han desarrollado diferentes mtodos.

Datos tpicos de rendimiento de procesos anaerobios

Proceso DQO de entrada mg/L

Tiempo de retencin

hidrulica, h

Carga orgnica, g DQO/L .da

Eliminacin de DQO, %

Proceso anaerobio de contacto

1500-5000 2-10 0.48-2.40 75-90

UASB

5000-15000

4-12

4-12

75-85

Lecho fijo 10000-20000 24-48 0.96-4.8 75-85

Lecho expandido

5000-10000 5-10 4.8-9.6 80-85

DIGESTION ANAEROBIA DE BIOMASA

NATURAL

SINTETICA

DESCOMPOSICION DE VEGETACION TERRESTRE DESCOMPOSCION DE MAT. ORGANICA EN CUERPOS DE AGUA

DIGESTORES ANAEROBIOS Residuos Agrcolas Residuos Urbanos

RELLENOS SANITARIOS Residuos Agrcolas Residuos Urbanos

PRODUCTOS

BIOGAS CH4 50-75% CO2 25-50%

RESIDUO Compost

COMBUSTIBLE Domstico Transporte Generacin elctrica

COMPOST Uso Agrcola Alto contenido de nutrientes

Ventajas de la digestin anaerobia de residuos

El biogs puede ser utilizado en la propia instalacin para generacin de electricidad y/o calor (co-generacin)

El biogs es un biocombustible (energa renovable)

Cumplimiento de los objetivos del protocolo de Kyoto, objetivos europeos de produccin de energa renovable

Subvenciones a innovacin y demostracin enaplicaciones concretas

Subvenciones e incentivos para la inversin en instalaciones de biometanizacin

Primas a la produccin de electricidad

Ventajas de la digestin anaerobia de residuos

La humedad de los residuos no es un problema

Se pueden tratar conjuntamente varios residuos

Reduce los problemas de olores

Ingresos adicionales por gestin de residuos

Sistemas simples y fciles de gestionar

Composicin del biogas

Metano (CH4): 50-80 %

Dixido de carbono (CO2): 20-50 %

Otros (H2, agua, NH3): 1-5 %

H2S, generalmente