EVALUACIÓN DEL POTENCIAL ENERGÉTICO DE LAS AGUAS RESIDUALES MUNICIPALES DEL ÁREA METROPOLITANA DE BUCARAMANGA CON TRATAMIENTO PARA GENERACIÓN DE BIOGAS Y BIODIESEL MICROALGAL
MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS1
EVALUACIÓN DEL POTENCIAL ENERGÉTICO DE LAS AGUAS RESIDUALES
MUNICIPALES DEL ÁREA METROPOLITANA DE BUCARAMANGA CON
TRATAMIENTOS PARA GENERACIÓN DE BIOGÁS Y BIODIESEL
MICROALGAL
JESÚS MANUEL EPALZA CONTRERAS
UNIVERSIDAD DE SANTANDER – UDES
MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS
BUCARAMANGA – COLOMBIA
2014
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EVALUACIÓN DEL POTENCIAL ENERGÉTICO DE LAS AGUAS RESIDUALES
MUNICIPALES DEL ÁREA METROPOLITANA DE BUCARAMANGA CON
TRATAMIENTO PARA GENERACIÓN DE BIOGÁS Y BIODIESEL ALGAL
JESÚS MANUEL EPALZA CONTRERAS
Proyecto de investigación para obtener el título de
MAGISTER EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS
DIRECTORA:
Msc Ing. Química YEIMMY YOLIMA PERALTA
UNIVERSIDAD DE SANTANDER – UDES
MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS
BUCARAMANGA – COLOMBIA
2014
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Dedicatoria
A la vida, los seres queridos y el fuerte impulso para buscar nuevas formas de
enfrentar nuestra pasajera existencia en este frágil equilibrio en el que vivimos.
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Tabla de contenido
INTRODUCCIÓN ............................................................................................ 14
I. Motivación y Justificación.......................................................................... 15
II. Planteamiento del problema. ................................................................... 19
Generación de Biocombustibles. .............................................................. 19
Tratamiento de Aguas Residuales. ........................................................... 22
III. Objetivos del Proyecto. ........................................................................... 25
Objetivo general. ...................................................................................... 25
Objetivos específicos. ............................................................................... 25
IV. Estructura del Documento. ..................................................................... 26
CAPÍTULO 1 ................................................................................................... 28
1. Generalidades del Aprovechamiento Energético de Aguas Residuales .... 28
1.1 Energía de origen biológico. ............................................................... 28
1.2 Aprovechamiento energético de aguas residuales. ............................ 28
1.2.1 Digestión Anaerobia. ....................................................................... 28
1.2.2 Aprovechamiento con cultivo de microalgas. ................................... 36
1.3 Antecedentes. .................................................................................... 39
1.4 Estado actual de las aguas residuales en el Área Metropolitana de
Bucaramanga. ............................................................................................. 44
CAPÍTULO 2 ................................................................................................... 51
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2. Metodología. ............................................................................................. 51
2.1 Metodología para la evaluación del potencial energético de las aguas
residuales del Área Metropolitana de Bucaramanga. ................................... 51
2.1.1 Aplicación de software. ................................................................ 52
2.1.2 Reactor Anaerobio tipo UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket).54
2.1.3 Reactor anaerobio de lodos. ........................................................ 57
2.1.4 Laguna aerobia de alta tasa. ....................................................... 58
2.1.5 Modelo anaerobio de cinética microbiana .................................... 59
2.1.6 Modelo cinético de crecimiento de la microalga. .......................... 63
2.1.7 Diseño del Sistema de tratamiento de agua residual propuesto para
las aguas del Área Metropolitana de Bucaramanga. ................................. 65
CAPÍTULO 3 ................................................................................................... 67
3. Depuración y ajuste del biogás y aprovechamiento de los lípidos de microalga.
67
3.1 Depuración del biogás. ...................................................................... 67
3.2 Aprovechamiento de lípidos microalgales. ......................................... 70
3.3 Otros aprovechamientos energéticos. ................................................ 74
CAPITULO 4 ................................................................................................... 76
4. Resultados de la evaluación del aprovechamiento energético. ................. 76
4.1 Resultados de la aplicación de los software. ...................................... 76
4.1.1 Resultados de aplicación de LabVIEW. ....................................... 76
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4.1.2 Resultados de ASPEN PLUS 7.3................................................. 78
4.2 Biogás Generado. .............................................................................. 82
4.2.1 Balance de masa de la producción de biogás. ............................. 85
4.2.2 Balance de energía de la producción de biogás. ......................... 87
4.3 Lípidos de interés energético. ............................................................ 90
4.4 Modelo matemático de producción de biogás del sistema de
aprovechamiento energético. ....................................................................... 92
CAPITULO 5 ................................................................................................... 93
5. Conclusiones y Recomendaciones. .......................................................... 93
5.1 Conclusiones. .................................................................................... 93
5.2 Recomendaciones. ............................................................................ 95
Bibliografía. ..................................................................................................... 96
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Lista de tablas
Tabla 1: Posibilidades de explotación de bio- desechos ................................. 17
Tabla 2: Capacidad de producción de biodiesel con diferentes materias primas19
Tabla 3: Municipios con limitaciones hídricas .................................................. 23
Tabla 4: Estándar del biogás generado en algunos países europeos ............. 33
Tabla 5: Procesos de depuración de biogás ................................................... 34
Tabla 6: Clasificación de microalgas ............................................................... 36
Tabla 7: Perspectivas a 2030 de la energía primaria de acuerdo con el IPCC 38
Tabla 8: Valores de caudales y cargas de contaminantes en Bucaramanga,
Floridablanca y Girón ...................................................................................... 49
Tabla 9: Geometría de los desarenadores .......... ¡Error! Marcador no definido.
Tabla 10: Parámetros cinéticos y estequiométricos característicos de diferentes
especies y grupos tróficos en procesos de digestión anaerobia¡Error! Marcador
no definido.
Tabla 11: Parámetros de diseño y operación seleccionados para el
dimensionamiento del biorreactor UASB ............. ¡Error! Marcador no definido.
Tabla 12: Tiempos de Retención Hidráulico para UASB¡Error! Marcador no
definido.
Tabla 13: Métodos de disrupción celular tradicionales .................................... 73
Tabla 14: Balance de 100 kg de DQO procesado por digestión anaerobia. .... 80
Tabla 15: Resultados de la simulación con la integración de la línea de lodos. 83
Tabla 16: producción de biogás del sistema de tratamiento de 1 m3/s ............ 84
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Tabla 17: producción de biogás del sistema de tratamiento de con toda la carga
del área metropolitana .................................................................................... 85
Tabla 18: Balance de masa anual del sistema de tratamiento de agua residual.86
Tabla 19: Proyección de la producción energética asociada al consumo del biogás.
........................................................................................................................ 88
Tabla 20: Consumos energéticos del sistema de tratamiento. ........................ 89
Tabla 21: Balance energético .......................................................................... 90
Tabla 22: Producción aproximada de biodiesel ............................................... 91
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Lista de Figuras
Figura1: Rendimientos de producción de biogás, con diferentesmaterias primas. .. 18
Figura 2: Consumo de biocombustibles en Colombia. .................................................. 20
Figura 3: Evolución del CO2 en el último milenio .......................................................... 24
Figura 4: Posibilidades de conversión energética de las microalgas para generación de
energía por vía biológica y termoquímica. ..................................................................... 37
Figura 5: Consumo de gas natural en Colombia ........................................................... 40
Figura 6: Corrientes receptoras de la meseta de Bucaramanga, Floridablanca y Girón47
Figura 7: Tecnologías para tratamiento anaerobio de aguas y lodos ........................... 54
Figura 8: Esquema del funcionamiento de un reactor UASB. ....................................... 55
Figura 9: Laguna de alta tasa ........................................................................................ 58
Figura 10: Diagrama de flujo del modelo de cultivo microalgal en agua residual municipal
........................................................................................................................................ 65
Figura 11: Disposición de las lagunas de alta tasa. ........ ¡Error! Marcador no definido.
Figura 12: Depuración del biogás. ................................................................................. 69
Figura 13: Sistema de tratamiento de agua residual ..................................................... 77
Figura 14: Corriente de tratamiento de agua y salidas de biogás. ................................ 78
Figura 15: Esquema del sistema de aprovechamiento energético de las aguas residuales
........................................................................................................................................ 81
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Lista de Ecuaciones
Ecuación 1 𝐃 = µ ................................................................................................. 56
Ecuación 2 𝛍 = 𝛍𝐦𝐚𝐱 ∗ 𝐒𝐒 + 𝐊𝐬 ........................................................................... 60
Ecuación 3 𝛄𝐬 = 𝟏𝐘𝐱𝐬 ∗ 𝛄𝐱 ................................................................................... 61
Ecuación 4 𝛄𝐱 = 𝛍 ∗ 𝐱 .......................................................................................... 61
Ecuación 5 𝐘𝐱𝐬 = −𝐗 − 𝐗𝐨𝐒 − 𝐒𝐨 ........................................................................ 61
Ecuación 6 𝐈𝐜 = 𝟏 + 𝟐, 𝟏𝟎, 𝟓𝐩𝐇𝐋𝐋 − 𝐩𝐇𝐔𝐋𝟏 + 𝟏𝟎𝐩𝐇 − 𝐩𝐇𝐔𝐋 + 𝟏𝟎𝐩𝐇𝐋𝐋 − 𝐩𝐇 .... 62
Ecuación 7 𝐈𝐧𝐜 = 𝟏𝟏 + 𝐒𝐢𝐊𝐢 ................................................................................. 62
Ecuación 8 𝐂𝐧𝐇𝐚𝐧𝐎𝐛𝐍𝐳𝐒𝐱 + 𝐇𝟐𝐎 = 𝐝𝐂𝐎𝟐 + 𝐞𝐂𝐇𝟒 + 𝐟𝐇𝟐𝐒 + 𝐠𝐍𝐇𝟑 .................. 92
Ecuación 9 𝐦(𝐂𝐧𝐇𝐚𝐧𝐎𝐛𝐍𝐳𝐒𝐱) + 𝐦𝐇𝟐 𝐎 = 𝒎𝑪𝑯𝟏, 𝟕𝑶𝟎, 𝟓 𝑵𝟎, 𝟐 + 𝒎𝑪𝑶𝟐 +
𝑪𝑯𝟒 + 𝑯𝟐𝑺 + 𝑵𝑯𝟑𝑼𝑨𝑺𝑩 + 𝒎𝑪𝑶𝟐 + 𝑪𝑯𝟒 + 𝑯𝟐𝑺 + 𝑵𝑯𝟑𝑹 − 𝒍𝒐𝒅𝒐𝒔 +
𝑫𝑸𝑶 𝒏𝒐 𝒅𝒊𝒈𝒆𝒓𝒊𝒃𝒍𝒆 .............................................................................................. 92
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Abreviaturas
Ácidos Grasos Volátiles AGV
Anaerobic Digestion Model 1 ADM 1
Área Metropolitana de Bucaramanga AMB
Demanda Química de Oxígeno DQO
Demanda Biológica de Oxígeno DBO
Digestión Anaerobia D.A.
Empresa Publica de Alcantarillado de Santander S.A EMPAS
Intergovernmental Panel on Climate Change IPCC
Organismos Acetógenos Productores Obligados de Hidrógeno OHPA
Organización Latinoamericana de Energía OLADE
Planta de Tratamiento de Aguas Residuales PTAR
Unidad de Planeación Minero Energética UPME
Upflow Anaerobic Sludge Blanket UASB
United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization UNESCO
Tiempo de Retención Hidráulica TRH
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RESUMEN
Las necesidades energéticas de un país en desarrollo son crecientes, pero las
alternativas tecnológicas que pueden cubrir la demanda son limitadas debido a
que el desarrollo tecnológico depende de circunstancias económicas,
comportamientos de mercado y posicionamiento de cada forma de negocio
energético.
En Colombia predominan las tecnologías basadas en los recursos fósiles, pues el
país tiene la reserva sufuciente para ser autosuficiente en la demanda de carbón,
petróleo y gas natural, haciendo énfasis en que es un exportador de estas
materias primas; con un panorama muy estable en carbón, pero en lo referente a
petróleo y gas las reservas no tienen tiempos superiores a 10 años, para cubrir la
demanda interna y la exportación. Por esta razón se plantea explorar una fuente
alternativa a la convencional, con el aprovechamiento de las aguas residuales
municipales, que han sido un problema pendiente en el marco del saneamiento
básico en todo el país.
La evaluación energética planteada en este estudio parte del diseño básico de un
sistema de tratamiento de agua residual, el cual ya está probado para la
depuración del agua, pero con unas de operaciones adicionales, que pueden
llevar a aprovechar los efluentes municipales en la producción de biogás y
biodiesel de origen microalgal, es importante tener en cuenta que la tecnología
planteada ya se encuentra en funcionamiento en varias partes del mundo, y se
requiere la implementación completa y un estudio detallado de las condiciones del
agua en cada caso, para proyectar su posible aprovecahmiento energético, junto
con un beneficio ambiental directo, como lo es el vertimiento de agua residual
tratada en condiciones que impacten de forma mínima al medio natural. Estas
premisas guian a este proyecto, en la búsqueda de aprovechar un problema
nacional y poder plantear una solución a una doble problemática, la energética y la
ambiental
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ABSTRACT
The energy needs of a developing country are growing, but the technological
alternatives that can meet demand is limited due to technological development
depends on economic circumstances, market behavior and positioning of each
form of energy business.
In Colombia predominate technologies based on fossil fuels, as the country has the
sufuciente reserve for self-sufficiency in demand for coal, oil and natural gas,
emphasizing that this is an exporter of raw materials, with a stable outlook on coal,
but in terms of oil and gas reserves no longer than 10 years time, to meet domestic
demand and export. Thus arises explore an alternative to the conventional source,
the use of municipal wastewater, which has been an outstanding problem in the
framework of basic sanitation in the country.
The energy evaluation presented in this study of the basic design of a system for
wastewater treatment, which is already used for water purification, but with
additional operations, which can lead to take advantage of municipal effluent in the
production of biogas and biodiesel from microalgal origin is important to note that
technology posed already in operation in various parts of the world, and full
implementation and a detailed study of water conditions in each case is required to
project possible energy, along with aprovecahmiento a direct environmental
benefit, such as the dumping of treated wastewater under conditions that minimally
impact the environment. These assumptions guide this project, seeking to exploit a
national problem and to propose a solution to two problems: energy and
environmental
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INTRODUCCIÓN
Las necesidades energéticas de un país en vías de desarrollo son de orden
ascendente, especialmente cuando el crecimiento demográfico del mismo es
positivo y adicionalmente las actividades económicas van apalancando el
consumo de todas las formas de energía final de una sociedad moderna.
La planeación energética de Colombia cuenta con múltiples recursos,
principalmente hace énfasis en los de tipo no renovable, por ser los más
comerciales y los que representan un rubro importante en los ingresos brutos del
país; Sin embargo se cuenta con los recursos energéticos renovables, que no
están cuantificados monetariamente, y no se tiene en cuenta la posibilidad de
utilizar los residuos de una ciudad, como un componente importante de la
planeación energética, o como parte de los recursos a explotar.
Los residuos de las ciudades poseen un valor en sí mismos, y si no son
aprovechados, se transforman en problemas ambientales severos, como los que
se presentan actualmente en la mayoría de las ciudades de mediano y gran
tamaño en nuestro país, es por esto que la propuesta de valorar el potencial
energético de los residuos, en este caso los líquidos cobra una importancia, pues
el aprovechamiento de todo residuo, va a generar la minimización del impacto
ambiental de las actividades humanas, y puede llegar a tener un valor monetario,
cuando son potenciales productores de otro insumo importante para la sociedad,
como lo es la energía, en alguna de sus formas, tanto la energía primaria como la
energía de uso.
El presente proyecto evalúa la capacidad de producción de energía de los
residuos líquidos producidos en el Área Metropolitana de Bucaramanga, para
establecer el posible aprovechamiento por los habitantes de la misma en el largo
plazo; haciendo énfasis en la utilización de procesos biológicos para la producción
de dos tipos de combustibles utilizados habitualmente en nuestras actividades,
como es el caso del biogás y del biodiesel.
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El proyecto se enfoca en la producción de biogás con características de
aprovechamiento doméstico o industrial, mediante la utilización de reactores
anaerobios, uno para el agua residual y otro de lodos; y en la producción de
biodiesel proveniente de biomasa microalgal haciendo uso de una laguna de alta
tasa que se abastezca del agua efluente del reactor anaerobio de las aguas
residuales. El primero ya es utilizado en el tratamiento del agua residual doméstica
de los municipios del área metropolitana, y este tipo de tratamiento se ve
beneficiado por la actividad de los microorganismos anaerobios y del cultivo de
microalgas, retirando del agua la mayor cantidad de contaminantes y a su vez
transformando estos en productos aprovechables para la ciudad.
De esta manera se explora la probabilidad de adicionar en la planeación
energética de las regiones, el aprovechamiento de los residuos líquidos, sirviendo
para un doble propósito, el tratamiento biológico de las aguas residuales y la
generación de biocombustibles.
La propuesta persigue la solución de 2 problemas que son complementarios, y sus
soluciones igualmente cercanas.
I. Motivación y Justificación.
La búsqueda de nuevas materias primas para el cubrimiento de una parte de las
necesidades energéticas es la primera motivación de este proyecto de grado;
además la motivación de promover el tratamiento de los residuos líquidos como
parte de una solución integral de las aguas residuales municipales de Colombia, y
la convicción de que es posible incrementar las alternativas de tratamiento de
efluentes, para así disminuir las cantidades de contaminantes liberados a las
aguas con impactos ambientales agudos y crónicos en casi toda la geografía
nacional.
El Área Metropolitana de Bucaramanga es una región a la cual es aplicable este
estudio, debido a que es una región afectada por el mal manejo de los residuos
líquidos, y con aportes de contaminantes calculados en 57,67 toneladas de la
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Demanda Química de Oxígeno (DQO) diarias (EMPAS - Empresa Publica de
Alcantarillado de Santander S.A. E.S.P., 2007), que afectan significativamente la
calidad del agua de algunas las cuencas del Área Metropolitana, conformada por
los municipios de Bucaramanga, Floridablanca, Girón y Piedecuesta.
Es importante definir que la región correspondiente al Área Metropolitana de
Bucaramanga cuenta con dos sistemas de tratamiento de agua residual de alto
caudal, uno es la Planta de Tratamiento de Agua Residual de Río Frío, la cual
presenta problemas con respecto a olores ofensivos y otras complicaciones
operativas.
La planta de Río Frío trata el 90% de las aguas del municipio de Floridablanca y el
11% de las aguas residuales de Bucaramanga, con un caudal de diseño inicial de
0,7 m3/s, con una proyección a tratar 2 m3/s, el cubrimiento final equivalente a
600.000 habitantes para el fin de las obras de ampliación (EMPAS - Empresa
Publica de Alcantarillado de Santander S.A. E.S.P., 2007) es importante destacar
que esta Planta de Tratamiento de Aguas Residuales (PTAR) posee un sistema
UASB que se encuentra funcional, y productor de biogás.
La otra PTAR del Área Metropolitana es la del municipio de Piedecuesta que
proyecta tratar el 100% de las aguas residuales del área urbana del municipio,
siendo este último el sector del área metropolitana que crece con mayor vigor en
población y construcción de vivienda.
La necesidad de buscar procesos que transformen las aguas residuales
municipales en sustancias de interés energético es del campo del tratamiento
biológico de efluentes, y este proyecto busca una cuantificación de la capacidad
de producción de sustancias energéticas del agua residual.
Las condiciones del Área Metropolitana de Bucaramanga para el aprovechamiento
energético se consideran buenas, debido a su temperatura promedio de 24ºC, con
bajas fluctuaciones de temperatura, y con una radiación solar de 1346 horas
anuales, esto posibilita condiciones estables para el cultivo de microorganismos
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anaerobios y para el cultivo de microalgas, microorganismos que pueden proveer
de materias primas para usos energéticos.
La generación de alternativas en biocombustibles es una de las estrategias, para
enfrentar la demanda de energía para el sector transporte doméstico e industrial.
De otra parte se tiene el problema de la depuración de los residuos líquidos y
sólidos; este problema puede tener como solución, nueva alternativas de
tecnología de tratamiento y de financiación de proyectos, cuando no sean
impulsadas únicamente por una normativa ambiental, sino que se pueda de
implementar una nueva actividad económica lucrativa. En este caso se abordará el
problema de la contaminación orgánica no solamente como un problema
ambiental, sino también se tratará como una posible industria energética.
Otra motivación para proponer este uso de las aguas residuales municipales para
generación de biogás se basa en la tabla 1 que muestra los diferentes usos de las
aguas residuales y sólo pueden tener un aprovechamiento, mediante la
fermentación, en digestión anaerobica que transforma la carga orgánica en biogás,
junto a ellas se encuentran igualmente los desechos de ganado y otros residuos
de diferentes industrias (Deublein, 2008).
Tabla 1: Posibilidades de explotación de bio- desechos
No aplica (-), Opción (o). Aplicación (+)
Fuente: Biogás de Residuos y Recursos Renovables 2008
Residuos Alimentación Combustión Compostaje Digestión
Estiercol licuado O +
Lodo de aguas residuales O O
Biodesechos O +
Residuos de poda de cesped O + +
Agua residual industrial y
otras contaminadas+ O +
Gesiduos grasosos +
Residuos de mataderos +
Madera + +
Excrementos + +
Paja O + + O
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Figura1: Rendimientos de producción de biogás, con diferentes materias
primas.
Fuente: Tomado de Biogás de Residuos y Recursos Renovables 2008 (Deublein,
2008)
La anterior figura muestra el rendimiento de producción de biogás, de acuerdo con
la fuente usada; así se observa que las aguas residuales pueden generar 935
millones de metros cúbicos de gas por año, si son tratadas con digestión
anaerobia en condiciones controladas y usadas correctamente. Esto demanda una
limpieza del gas y otras operaciones que puedan llevarlo a condiciones de gas
pobre para su uso energético. Los datos de estas tablas promueven la idea de un
desarrollo profundo en el aprovechamiento de los recursos renovables, y más
especialmente tratándose de residuos líquidos, que son producidos con una
frecuencia conocida, y están íntimamente ligados a la formación de ciudades
modernas.
La segunda parte del proyecto se motivó por los resultados obtenidos con los
ensayos de crecimiento algal, con fines de explotación de ácidos grasos; en este
sentido la tabla 4 ilustra sobre la capacidad de producción de las algas, con
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MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS19
respecto al biodiesel, en litros por hectárea por año. Para las algas (Schenk,
2008)se evidencia una mayor capacidad de producción y una independencia de la
fertilidad del suelo.
Tabla 2: Capacidad de producción de biodiesel con diferentes materias
primas
Fuente: (Woertz, 2009)
De la misma manera que se observa la capacidad de producción de las algas se
han realizado varios estudios sobre la capacidad de producción de lípidos por
parte de diferentes especies de microalgas.
II. Planteamiento del problema
El desarrollo del problema planteado del presente trabajo, se desagrega en dos
problemas definidos, uno energético y el otro de orden medioambiental; es así
como se plantea en 2 numerales.
Generación de Biocombustibles
El consumo de biocombustibles para el transporte y el uso doméstico e industrial
en una necesidad manifiesta en Colombia, respondiendo a este escenario las
políticas energéticas se basan en el suministro energético de origen fósil, y en la
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MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS20
última década se ha fortalecido con el uso de biocombustibles de primera
generación, es la particularidad del caso colombiano (UPME Unidad de
Planeación Minero Energética, 2010).
El consumo de biocombustibles ha crecido significativamente en la última década,
como lo muestra la gráfica 1, iniciando con el alcohol carburante para el año 2005
y complementando con el biodiesel en el año 2008.
Figura 2: Consumo de biocombustibles en Colombia.
Fuente: Ecopetrol y UPME (Unidad de Planeación Minero Energética UPME,
2010)
La generación de biocombustibles en la actualidad se realiza a base del cultivo de
caña de azúcar (Saccharum officinarum), para el caso del alcohol carburante; y el
biodiesel se deriva del cultivo de la palma africana (Elais guineensis); estos
cultivos energéticos se han posicionado como rentables agro negocios y son
complementarios a la política energética de combustibles. Así mismo el gas
natural fósil es el que surte la demanda doméstica e industrial de las necesidades
de calor para cocinas y calderas en muchas partes de nuestro país que tienen
acceso a la red de gasoductos y otras formas de transporte de este combustible.
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Así como el consumo de biocombustibles a nivel nacional tiene un ascenso, los
precios de estos se comportan de acuerdo con su demanda y con las políticas
establecidas en los planes de desarrollo de la agroindustria nacional, que a su vez
son ventajosas para la producción de alcohol y biodiesel.
En el caso particular del gas natural se presenta una reserva probada con un
horizonte de explotación por los próximos 6 años, si no hay nuevos hallazgos que
fortalezcan la reserva para el consumo nacional, estos precios son asequibles,
pero no se garantizan si es necesario importar gas en el mediano plazo (Unidad
de Planeación Minero Energética UPME, 2010).
Un inconveniente marcado del uso de biocombustibles es que la sostenibilidad en
la producción, debido a que dependen directamente del análisis de ciclo de vida
(LCA) particular en cada región, (Silva Lora. E, 2010), y no siempre son un
beneficio ambiental debido a que el desarrollo de estos cultivos energéticos,
pueden ser viables económicamente, pero no suministran mejoras ambientales al
ambiente. Adicionalmente los rendimientos y los tiempos de cosecha de los
biocombustibles se establecen en tiempos de espera del crecimiento de los
cultivos para su producción, y en el caso específico de la Elais guineensis, puede
ser de hasta 3 años para producir la primera cosecha de fruto, para la extracción
del biodiesel (Federación Nacional de Biocombustibles , 2012).
La sostenibilidad de los cultivos energéticos actuales depende directamente de su
desarrollo agrícola y establece el uso de tierras de cultivo de buena fertilidad,
acompañado de un consumo significativo de agua. En todas las etapas de
producción, provoca en algunos casos el desvío del recurso hídrico hacia la
producción agrícola, presionando así la disponibilidad del recurso para otros usos;
Parte de esta problemática se presenta por no tener un tratamiento de las aguas
servidas, que llegan a ser vertidas en cuerpos de agua superficiales que la
transforman en cloacas no disponibles para ningún uso humano. En la tabla 3
muestra los municipios del país que presentan limitaciones hídricas (Defensoría
del Pueblo, 2009).
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Tratamiento de Aguas Residuales
El tratamiento de las aguas residuales es una necesidad manifiesta en todos los
departamentos de Colombia, debido a que solamente el 40% de los municipios
cuentan con un sistema de tratamiento de agua residual, los cuales presentan
dificultades de tratamiento, y su eficiencia es muy baja (Grupo sectorial dirección
técnica de acueducto y alcantarillado.Superintendencia delegada para acueducto,
alcantarillado y aseo , 2012). La implementación de estos tratamientos ha tenido
inconvenientes de toda índole, y dentro de estos se presenta la construcción de
sistemas de tratamiento costosos, con gastos operativos altos, como ejemplo se
cita la Planta de Tratamiento de Agua Residual (PTAR) del Salitre en Bogotá, que
se presenta altamente inviable para la ciudad (Contraloría Distrital de Bogotá,
2009), debido al tipo de sistema de tratamiento físico que realiza, con un digestor
de lodos que produce una fracción del biogás que puede ser producido, sin un
destino de aprovechamiento real.
La energía y el agua son dos recursos de mucha importancia para el desarrollo de
todos los países, y su deterioro, mala gestión y deficiente aprovechamiento, unido
a tecnologías costosas que incluyen una dependencia tecnológica foránea muy
marcada, hacen difícil la integración de los sistemas energético y de saneamiento
básico, sin embargo estos sectores que proporcionan el bienestar y el confort de
los ciudadanos, pero se presentan como dos problemas con alta capacidad de
afectar negativamente la salud, el bienestar y la disponibilidad de los recursos
naturales para las generaciones futuras. La disponibilidad de aguas residuales
como materia prima no se ha considerado en el contexto de gestión de los
residuos líquidos, y en especial las aguas residuales municipales que son las que
tienen menos sistemas de tratamiento en el país.
La falta de tratamiento de las aguas residuales genera limitaciones en la oferta
ambiental de este recurso; en la tabla 3 se relaciona a los municipios que
evidencian una limitación en la oferta del recurso. Allí donde se particulariza a
varios de la cuenca del Magdalena, y especialmente los que dependen del rio
Bogotá, pues la oferta del recurso aguas abajo del distrito capital no es posible.
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Esto se debe especialmente a los niveles de contaminación del rio. El IDEAM
presenta a los municipios de acuerdo con su oferta, y ésta a su vez depende de la
calidad de agua afluente.
Las limitaciones hídricas pueden verse afectadas por los fenómenos climáticos,
tales como la variabilidad climática, el cambio climático, y efectos de las
actividades humanas en el microclima de cada región. Estas presiones sobre la
oferta hídrica sumados a la contaminación del recurso disponible aumentan la
limitación de este importante recurso.
Tabla 3: Municipios con limitaciones hídricas
Fuente: IDEAM 2008
Los contaminantes de las fuentes de agua aceleran los problemas referentes al
calentamiento global, pues las aguas residuales son generadoras de gases de
efecto invernadero.
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Otro aspecto que presenta un problema es el cambio climático debido al
forzamiento externo, o cambios antropogénicos persistentes en la composición de
la atmósfera o en el uso de las tierras. Se debe tener en cuenta que la Convención
Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (CMCC), en su Artículo
1, define ‘cambio climático’ como: “un cambio de clima atribuido directa o
indirectamente a la actividad humana que altera la composición de la atmósfera
mundial y que se suma a la variabilidad natural del clima observada durante
períodos de tiempo comparables”. La CMCC distingue entre ‘cambio climático’
atribuido a actividades humanas que alteran la composición atmosférica y
‘variabilidad climática’ atribuida a causas naturales”.
Figura 3: Evolución del CO2 en el último milenio.
Fuente: Biodiversidad, Y. (n.d.). Y BIODIVERSIDAD Documento técnico V del
IPCC.
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En la anterior gráfica se evidencia el aumento de la energía incidente en el planeta
en los últimos 200 años, y su crecimiento con respecto a las concentraciones de
CO2 en la atmósfera;. Estos son considerados efectos adversos al ambiente
desencadenados por el uso indiscriminado de combustibles fósiles, debido a que
el carbono que estos contienen se encuentra fuera del inventario troposférico del
carbono, en la actualidad, es decir, es carbono que tiene la capacidad de alterar
sistemas bióticos en nuestro planeta, pues el ciclo del carbono actual, se mueve
en razón de la concentración del carbono que se mueve desde la atmósfera hacia
los seres vivos y de estos hacia la atmósfera (IPCC, 2008). Este cambio abrupto,
ha demostrado tener un efecto en la segunda mitad del siglo XX y presenta un
peligro para el clima mundial en el mediano y largo plazo, según lo proyecta el
IPCC.
III. Objetivos del Proyecto.
Objetivo general.
Realizar la evaluación del potencial energético de las aguas residuales
municipales del Área Metropolitana de Bucaramanga (AMB), para su
transformación en biogás y biodiesel microalgal.
Objetivos específicos.
Establecer los tratamientos de agua residual municipal adecuados para la
producción de biogás y biodiesel microalgal.
Determinar los potenciales de generación de biogás de las aguas
residuales, municipales del Área Metropolitana de Bucaramanga, mediante
digestión anaerobia.
Establecer las condiciones de operación de una laguna para la producción
de microalgas en la AMB.
Determinar la potencialidad de la producción de biodiesel proveniente del
cultivo de microalgas, utilizando el efluente de un biorreactor anaerobio.
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Determinar el potencial energético combinado del biogás producido y el
biodiesel microalgal, en términos de productos para uso industrial o
doméstico.
IV. Estructura del Documento.
El documento derivado del proyecto de grado se estructura en 5 capítulos, en los
cuales se describe todo el devenir del tema tratado.
Capítulo 1: En este capítulo se describen el estado del arte sobre el
aprovechamiento energético de los residuos líquidos, las ventajas de su
implementación, en una ciudad de mediano tamaño en las condiciones tropicales
propias de la región del Área Metropolitana de Bucaramanga y la situación actual
del tratamiento de aguas residuales.
Capítulo 2: Esta parte del documento establece la metodología usada para la
determinación del potencial energético de las aguas residuales municipales en el
entorno determinado del proyecto, junto con el establecimiento de los modelos
matemáticos de comportamiento cinético de los microorganismos asociados a la
Digestión Anaerobia (DA), y el modelo de crecimiento del cultivo microalgal, con
fines de aprovechamiento en biodiesel, adicionalmente se establece el sistema de
tratamiento de aguas residuales que pueden favorecer el proceso de producción
de metano y biodiesel a partir del afluente integrado del Área Metropolitana de
Bucaramanga.
Capítulo 3: En este capítulo de determinan los procesos de acondicionamiento del
biogás y la biomasa microalgal, para ser transformadas en biocombustibles de uso
final, como biogás y biodiesel de consumo.
Capítulo 4: Este capítulo muestra los resultados de los modelos propuestos, con
sus posibles rendimientos en una interfase gráfica en el software LabVIEW, con
las operaciones de tratamiento, y la modelación matemática en el software ASPEN
PLUS 7.3.
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Capítulo 5: Este capítulo muestra las conclusiones del trabajo en todas sus fases
y objetivos desarrollados.
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CAPÍTULO 1
1. Generalidades del Aprovechamiento Energético de Aguas Residuales
1.1 Energía de origen biológico.
La energía en las sociedades modernas determina la calidad de vida de los
individuos que pueden disfrutarla, para transferir a los sistemas electromecánicos
las labores penosas que requieren un gran cantidad de trabajo para ser llevadas a
cabo, para esto es que usamos principalmente la energía, y los sistemas
energéticos se establecen con el fin de proveer a los habitantes de una región
todas las formas de energía disponibles, para el desarrollo de las actividades
asociadas a las poblaciones que propenden por el desarrollo económico.
Los recursos energéticos de un país se cuentan en términos de recursos de
energía primaria, consistente en las materias primas que pueden ser
transformadas en energía secundaria o de uso final, para sistemas ya sean
eléctricos o que funcionan a partir de sustancias energéticas que pueden liberar su
energía química en forma de explosiones, que son traducidas a energía mecánica
y trabajo.
Los recursos energéticos asociados a organismos biológicos se fundamentan
básicamente en la capacidad de retener energía en forma de enlaces químicos,
dentro de moléculas, que generalmente son producto del metabolismo celular.
1.2 Aprovechamiento energético de aguas residuales.
Las aguas residuales son una materia compleja, que está definida por el uso que
se hace de agua potable, para servir a poblaciones humanas en actividades
domésticas, comerciales, industriales, turísticas y muchas otras asociadas con la
actividad en una sociedad de consumo del siglo XXI.
1.2.1 Digestión Anaerobia.
El aprovechamiento de los residuos se ha estudiado durante el siglo XX y se ha
continuado en el XXI, pero el aprovechamiento de los residuos en el sector
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energético se ha aplicado con éxito, sólo en los residuos sólidos, los cuales se han
usado para la combustión, la pirolisis o la gasificación y su aprovechamiento
depende directamente de la capacidad económica de cada sociedad para su
consumo.
En el campo de los residuos líquidos, estos han usado como parte de fertilizantes,
en los casos que no revisten peligrosidad para la salud y el medio ambiente; pero
sólo hasta la década de los 80`s se empezaron a conocer los procesos que
generaban gases en las agua residuales, y se comenzará el estudio de la
Digestión Anaerobia.
Los microorganismos involucrados en la digestión anaerobia son de diferentes
grupos y especies, para tener una mejor visión acerca de los microorganismos
participantes de este proceso, se presentan los diferentes grupos de
microorganismos, y los principales géneros y especies dentro de cada categoría.
Microorganismos Hidrolíticos.
Los microorganismos que llevan a cabo las reacciones de hidrólisis y acidogénesis
son anaerobias facultativas y los géneros más frecuentes que participan son los
miembros de la familia Enterobacteriaceae, además los géneros Bacillus sp,
Peptostreptococcus sp, Propionibacterium sp, Bacteroides sp, Micrococcus sp y
Clostridium sp. Dentro de los microorganismos proteolíticos se encuentran
especies de los géneros Clostridium sp, Peptococcus sp, Bifidobacterium sp y
Staphylococcus sp. Bacterias como Anaerovibrio lipolytica con actividad lipolítica
han sido aisladas del rumen; y de la misma manera se ha hecho con Butyrovibrio
fibrisolvens que hidroliza los fosfolípidos cuando crece con azúcares fermentables
como fuente de carbono.
Es importante resaltar la participación de varias especies de hongos facultativos y
de levaduras que participan en la hidrólisis, pero no se encuentran en la misma
cantidad que los géneros de bacterias mencionadas.
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Microorganismos Acidogénicos.
Los microorganismos Acidogénicos producen cantidades de H2 formato y acetato
y estos a su vez acidifican los digestores anaeróbicos. Son bacterias que oxidan
compuestos que son productos de las reacciones anteriores. Las sustancias que
producen son etanol, propionato, butirato, benzoato, acetato (Díaz Baez, 2000).
Microorganismos Acetogénicos.
La eficiencia de la metanogénesis depende de los productos de fermentación
como el propionato, el butirato y deben ser oxidados a acetato, CO2 y H2, esta
oxidación es llevada a cabo por un grupo denominado “organismos acetógenos
productores obligados de hidrógeno (OHPA)” (Rodriguez, 2008), mediante un
proceso conocido como acetogénesis. Aunque la mayoría de este tipo de
reacciones consume energía, en ambientes anaerobios donde la energía
disponible es baja, el acoplamiento de la actividad de las bacterias OHPA con las
bacterias consumidoras de H2 (metanógenos hidrogenofilicos) permite un balance
energético favorable.
Este último grupo, consume el hidrogeno generado por las OHPA manteniendo
una presión parcial de H2 a un nivel adecuado para que termodinámicamente
pueda darse la conversión de los ácidos grasos volátiles (AGV) a acetato e
hidrógeno. Esta asociación se conoce como “relación sintrófica” o “transferencia
interespecífica de hidrógeno”. Solamente un limitado número de especies del
grupo OHPA han sido aisladas; probablemente existan más, pero aún no son
conocidas. Dentro de las especies aisladas se pueden mencionar,
Syntrophomonas sapovorans, Syntrophobacter wolinii, Syntromonas wolfei,
Syntrophospara bryantii, Syntrophus buswellii
En el grupo de bacterias acetogénicas se reconoce un grupo de bacterias
conocidas como “bacterias homoacetogénicas” las cuales son anaerobias
obligadas y utilizan el CO2, como aceptor final de electrones, produciendo acetato
como producto único de la fermentación anaerobia. Aunque este grupo no es un
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grupo taxonómico definido, en él se incluye una variedad de bacterias Gram (+) y
Gram (-) formadoras de esporas como: Clostridium aceticum, Clostridium
formicoaceticum y Acetobacterium wooddi
Microorganismos Metanogénicos.
Las bacterias metanogénicas pertenecen al grupo actualmente conocido como
Archeaea, cuyos miembros presentan características diferentes a las encontradas
en Bacteria. Estas características están relacionadas fundamentalmente con la
composición química de algunas estructuras celulares.
Las bacterias metanogénicas son anaerobias estrictas y producen metano como
principal producto del metabolismo energético. A pesar de los requerimientos
estrictos de anaerobiosis obligada y el metabolismo especializado de este grupo,
estas bacterias se encuentran ampliamente distribuidas en la naturaleza. La
actividad metanogénica es mucho mayor en ecosistemas de aguas dulces y
terrestres, la menor actividad detectada en océanos, se debe a la alta
concentración de sulfatos, condición que favorece la sulfato reducción en
sedimentos marinos (Zinder, 1998)
Con base en el tipo de sustrato utilizado, las bacterias metanogénicas se
subdividen en tres grupos:
Grupo 1: utiliza como fuente de energía H2, ión formato y ciertos alcoholes, el
CO2 es el aceptor final de electrones el cual es reducido a metano;
Grupo 2: utiliza una amplia variedad de compuestos que tienen el grupo metilo.
Algunas de las moléculas son oxidadas a CO2, el cual actúa con aceptor final de
electrones y se reduce directamente a metano;
Grupo 3: aunque la mayor parte del metano que se genera en la naturaleza
proviene del rompimiento del acetato, la habilidad de catabolizar este sustrato está
limitada a los géneros: Methanosarcina sp y Methanosaeta sp (Methanotrix sp). Es
frecuente encontrar en reactores anaerobios, una competencia por el acetato entre
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estos dos géneros, sin embargo, las bajas concentraciones de acetato que
usualmente predominan al interior de los reactores favorece el crecimiento de las
Methanosaeta sp (Díaz Baez, 2000)
El control del proceso de digestión anaerobio en aguas residuales puede llevar a
una calidad de biogás que lo produzca hasta un 70% volumen a volumen, y luego
se lleva a la purificación.
El conocimiento de la digestión anaerobia, provee de nuevas herramientas
tecnológicas a la ingeniería y se empiezan a llevar a cabo grandes estudios, para
la normalización de los reactores capaces de generar biogás con características
aprovechables; es así como en los últimos años se puede determinar que se
puede usar el biogás purificado como un gas “pobre”, el cual tiene usos
energéticos, principalmente para uso industrial y doméstico.
En la tabla 4 se puede observar las características que debe tener el biogás para
ser usado como combustible en algunos países europeos; es importante anotar
que estas características se logran con sistemas de purificación (Naja, 2011).
Las explotaciones intensivas de este recurso no se han llevado a niveles de
aprovechamiento masivo, pero si tiene un potencial no cuantificado con su
mejoramiento y con la optimización de los reactores anaeróbicos.
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Tabla 4: Estándar del biogás generado en algunos países europeos
Fuente: Tomado de Naja et al-2011
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Tabla 5: Procesos de depuración de biogás
Fuente: Naja et al-2011
Las operaciones de purificación más usadas se muestran en la tabla 5, en donde
se definen la eliminación de la humedad, para permitir la ignición del metano; la
eliminación del ácido sulfhídrico, para bajar la capacidad corrosiva del gas y por
último se considera la eliminación del CO2, para mejorar la capacidad calorífica del
gas (Naja, 2011).
En el terreno tropical se cuentan con condiciones de regularidad, donde la
fluctuación de temperaturas no excede cambios mayores a 10ºC, lo que afecta
moderadamente la producción de biogás.
La digestión anaerobia se ha probado en Japón como mecanismo para tratar los
lodos del tratamiento de agua residual, llegando a ser un tratamiento amigable con
Compuesto de Biogás Técnica de separación
Separador de partículas
Ciclón separador
Condensación
Secado
Adsorción con sílica
Oxidación biológica aeróbica
Adición de cloruro férrico
Adsorción con oxido feroso
Absorción con soda
Adsorción con solución ferrosa
Separación con membranas
Filtros biológicos
Carbón activado
Tamices moleculares
Adsorción con oscilación de presión (PSE)
Técnicas basadas en absorción física
Membranas de separación
Técnicas basadas en absorción química
Adición de propano
Criogenización
Eliminación de Agua
Eliminación de Sulfuro de hidrógeno
Eliminación de dióxido de carbono
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el medio ambiente y económicamente eficiente, con considerables reducciones en
su aporte a los índices potencial de calentamiento global (GWP), potencial de
acidificación del suelo (AP), potencial de toxicidad para humanos (HT) y uso del
suelo (LU) en comparación con el análisis de ciclo de vida (LCA) con otros
tratamientos que no usan la digestión anaerobia (Hong. Jinglana., 2009).
En Europa el caso del tratamiento de agua residual en Praga, demuestra una
ventaja de la digestión anaerobia, incluso en zonas templadas donde la variación
de temperatura en estaciones es muy severa, allí se ha podido llegar a una
eficiencia energética del 70%, en la planta de tratamiento de agua residual de un
caudal de 3,5 m3/s, donde se realiza la digestión anaerobia en 2 fases, con un
mayor rendimiento en temperaturas entre 52º y 55ºC (Jenicek, 2012).
La necesidad de diversificar las fuentes de biocombustibles ha llevado a los
investigadores a nivel mundial a considerar los residuos líquidos y sólidos como
una alternativa real a la solución del problema; se considera una solución
marginal, debido a que la biometanización tiene inconvenientes técnicos que no
permiten tener grandes cantidades de biogás utilizable en cortos periodos de
tiempo, pero el mejoramiento continuo de esta técnica, puede llevarnos a la
optimización de procesos y por ende a la madurez de la tecnología (Water
Environment Federation., 2009). En la actualidad países como la India consideran
a los residuos como una fuente alternativa de energía, ya sea por la vía de la
incineración de los residuos sólidos, como por parte de considerar la
biometanización una tecnología de doble propósito, usándola para la depuración
de aguas residuales y en la utilización del biogás como recurso energético.
Los estudios realizados para evidenciar el potencial de los residuos líquidos se ha
basado principalmente en zonas subtropicales y zonas de estaciones definidas, en
las cuales las condiciones climática no permiten un suministro de biogás constante
(Demirbas, Biofuel policy , biofuel economy and global biofuel projections, 2008),
pues los meses fríos disminuyen la productividad de biogás y en el caso de las
algas las pocas horas de radiación solar limitan un aprovechamiento marginal del
recurso planteado.
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1.2.2 Aprovechamiento con cultivo de microalgas.
El trabajo proyecta la utilización de las microalgas en el tratamiento de efluentes
de los reactores anaerobios; para esto en la tabla 6 se presenta la clasificación de
estos microorganismos.
Tabla 6: Clasificación de microalgas
Fuente: Tomado de www.algaebase.com; Hu et al., 2008; Sheehan et al 1998.
Los aprovechamientos en el campo de la energía son muchos, y en la figura 4 se
muestran todas las posibilidades que se tiene cuando se usan la microalgas; es
así como se pueden transformar por diversos procesos biológicos, químicos y
físicos en diferentes compuestos y diferentes aprovechamientos (Amin, 2009).
De la misma manera las horas de sol en el trópico tienen diferencias definidas en
las épocas del año, que no pasan de 30 minutos, lo que significa una variabilidad
inferior al 4,16% de variabilidad en radiación solar y las zonas tropicales alternan
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sequía y lluvias; la restricción de luz solar en términos de watts incidentes por
metro cuadrado no es significativa, para ninguna época del año.
Estas potencialidades no han sido estudiadas a profundidad en ambientes
tropicales, pero esta latitud en términos de potencialidad de cosechar energía por
vía biológica es la que presenta mejor perspectiva.
Figura 4: Posibilidades de conversión energética de las microalgas para
generación de energía por vía biológica y termoquímica.
Fuente: Amin – 2009.
La utilización del agua para todas las actividades humanas marca una huella
importante en el sector energético y se proyecta para el año 2030, una mayor
presión sobre el recurso agua, de acuerdo con la demanda de alimentos en el
mundo entero.
Como se observa en la tabla 7, en el 2030 de la energía va a demandar más del
recurso agua, para la producción de energía. Al depurar correctamente el agua y
aprovechar todos los nutrientes que se encuentran en ellas, pueden disminuir la
presión sobre el recurso; disminuir la cantidad de energéticos que transportan los
centros urbanos para su manutención energética, puede llegar a disminuir costos,
mejorar el aprovechamiento de los recursos locales y a optimizar la depuración de
los residuos líquidos, con el impulso de los dividendos económicos.
Microalga
Conversión
termoquímica
Conversión
bioquímica Transesterificación
Fermentación
Hidrogenación
Licuefacción
Pirolisis
Gasificación
Etanol
Biodiesel
Gas combustible
Aceite y Carbón
Aceite
Aceite
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Tabla 7: Perspectivas a 2030 de la energía primaria de acuerdo con el IPCC
Fuente: (IPCC, 2008)
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De otra parte se tiene la posibilidad de usar los efluentes de sistemas anaerobios
como medio de cultivo de microalgas; este tema ha sido estudiado en la última
década, y aunque las microalgas son conocidas desde hace mucho tiempo, la
utilización de las mismas en aprovechamiento energético, se observa como una
tecnología en desarrollo, que todavía no alcanza una sostenibilidad y una
estandarización.
1.3 Antecedentes.
La búsqueda de nuevas alternativas energéticas es una de las actividades que se
ha abordado con mayor vigor en el mundo, especialmente en los países que no
poseen reservas significativas de energías primarias. En el caso de Colombia se
ha abordado el tema con políticas importantes en el campo de los biocombustibles
de primera generación, y se tiene una infraestructura fortalecida, para la
producción de alcohol carburante procedente de caña de azúcar (Saccharum
officinarum), en el país se tiene 223.905 hectáreas de caña, de las cuales una
parte es destinada a producir alcohol carburante, (Federación Nacional de
Biocombustibles, 2012), y se producen 336,95 millones de litros de alcohol, que
salen de los departamentos del Valle del Cauca, Cauca, Risaralda y Meta.
Las cifras indican que la demanda de alcohol anhidro carburante va siendo mayor
cada año de acuerdo con los consumos de gasolina, en la cual se lleva la mezcla
del alcohol, el precio actual de este combustible USD $1,19 por litro ($ 2.121,58
pesos colombianos), precio atractivo para los industriales de la caña en el país.
De otra parte el uso del gas natural tiene una clara tendencia al alza en los últimos
años, como lo indican los datos de la UPME, motivo por el cual se deben buscar
una alternativa al suministro de gas, teniendo en cuenta que se prevé una escases
para los próximos años, cuando el país deje de ser autosuficientes en el
suministro de gas; por esto se propone el uso del biogás que si llega a las
condiciones del gas natural puede utilizarse la infraestructura actual, para distribuir
un biogás purificado.
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Figura 5: Consumo de gas natural en Colombia
Fuente: UPME
A nivel global los principales productores de alcohol carburante son Estados
Unidos y Brasil, que han basado su modelo de producción de alcohol en 2 cultivos
principales, el maíz (Zea mays) y la caña de azúcar respectivamente, La caña de
azúcar presenta la mejor producción de alcohol carburante, teniendo en cuenta la
fuerte competencia del maíz, para ser usado como alimento, y no como
combustible, se entiende que por ser Estados Unidos el mayor productor mundial
de maíz, con una gran disponibilidad de este commodity, y pueden tomar este
cereal como materia prima principal de su proceso de producción de alcohol
anhidro; al desviar alimentos para el uso energético en biocombustibles ocasiona
el rechazo del mundo en vías de desarrollo.
En otro sector de producción de etanol carburante, se contempla la producción a
gran escala de bioetanol de segunda generación, que corresponde al alcohol
producido a partir de residuos celulósicos, que generalmente se asocian con la
utilización de residuos de cosecha, los cuales se destinan a procesos de hidrólisis,
para su sacarización y la posterior fermentación para la producción de etanol. Esta
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tecnología está en proceso de maduración para ser aplicada a gran escala, pues
presenta dificultades en la parte de la hidrólisis enzimática de los componentes
recalcitrantes tales como la celulosa, hemicelulosa y lignina.
En lo referente al biodiesel se tiene un sector fortalecido en lo referente al cultivo
de la palma aceitera (Elaeis guineensis), este sector productivo de la economía
colombiana cuenta con una producción para 2011 de 443.037 toneladas de
biodiesel, y es un sector que cuenta con una infraestructura que permite procesar
la producción de fruto de palma, para realizar la extracción del aceite crudo y
transformarlo en refinado y en biodiesel. Se evidencia que la palma aceitera es un
producto agrícola, que puede ser usado con fines alimenticios, lo que indica que la
utilización del biodiesel compite con el suministro de aceite comestible con el
mercado del diesel en Colombia. Aunque no se ha evidenciado escases del aceite
como causa de su uso en motores diesel, puede ser poco amigable con el medio
ambiente, cuando se cultiva la palma aceitera en zonas no intervenidas, como
resultado de la ampliación de la frontera agrícola del país.
Cabe anotar que en Colombia la palma aceitera compite por el suelo de cultivo de
los alimentos, y especialmente con los cultivos de “pan coger”, que representa una
buena parte de la dieta de los campesinos en Colombia y hace parte de la
microeconomía local en las áreas rurales.
En lo referente al biodiesel se ha generado un movimiento hacia el
aprovechamiento de los aceites usados, pues si se produce biodiesel a partir de
este residuo alimenticio, no se establecería la competencia con la seguridad
alimentaria; y se abre espacio para nuevas oportunidades de negocio, que en este
momento no ha sido atractivo, pues no cuenta con una política que refuerce de
reutilización de este residuo alimenticio, y su destino en el sector energético.
Vale la pena nombrar que los sistemas de aprovechamiento del aceite vegetal
usado tienen un altísimo componente cultural y educativo que conduzca a
promover la costumbre de llevar el aceite usado a un centro de acopio, pues en el
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MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS42
caso colombiano el recurso está disperso, y su acopio necesitaría de una red de
ciudadanos que lo promuevan.
El biodiesel ha sufrido una transformación en sus fuentes y en estos días se está
promoviendo la utilización del microalgas en la producción del recurso primario;
esto surge por las diversas ventajas que presenta el cultivo de microalgas, aunque
requiere superar diversos retos tecnológicos como se ha podido evidenciar en los
estudios sobre la viabilidad del biodiesel microalgal.
Los biocombustibles procedentes de algas se consideran de tercera generación,
pues tienen mejores potenciales de desempeños ambientales y económicos, y
poseen un componente adicional que se basa en la utilización de residuos
abundantes para la generación de estas energías asociadas a los motores de
combustión interna y los motores diesel.
Una de las principales ventajas de la utilización de residuos en la producción
energética se asocia con la mejora sustantiva en lo referente al impacto ambiental,
pues se debe depurar los residuos muy eficientemente, para producir el producto
final, ya sea un combustible gaseoso, líquido o sólido.
En las condiciones actuales los países tropicales no han comprometido esfuerzos,
para desarrollar el potencial de la generación de biocombustibles de tercera
generación, y en su mayoría se han empeñado en sostener los sistemas de
producción de biocombustibles de primera generación, debido a que estos
sistemas de producción generan una buena parte del empleo en zonas agrícolas.
Sin embargo no hacen esfuerzos por proporcionar empleos a personas con alto
nivel educativo, que puedan promover los adelantos científicos y tecnológicos,
resolver los problemas inherentes al aumento de la demanda energética y los
problemas asociados al tratamiento eficiente de los residuos de todos los tipos.
En lo referente a lo tecnológico se han realizado estudios para evaluar el potencial
del biogás como combustible renovable, (Naja, 2011), para evaluar se le da un
potencial a este recurso, teniendo en cuenta que presenta retos tecnológicos
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MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS43
como, la purificación del biogás, la deshumidificación y la concentración de
metano son operaciones que demandan tecnología y control, con el fin de tratarlo
como se trata al gas natural procedente de las fuentes fósiles. Este estudio
concluye que al superar los problemas de altos contenidos de azufre y llegar a un
un nivel de pureza superior al 90%, posibilitan la manipulación del biogás, de la
misma manera que se trata al gas natural.
Con respecto a las microalgas se han implementado estudios preliminares, que se
dirigen a resolver los inconvenientes del cultivo de las microalgas; uno de los más
importante es el mantener un cultivo puro de una sola especie o un coctel de
especies de algas, que tengan una alta producción de ácidos grasos, y que se
puedan separar del medio acuoso en operaciones que tengan costos similares a
los que actualmente tienen los sistemas de producción de aceite vegetal refinado.
Este camino puede llevar a las microalgas a proporcionar un biodiesel de buena
calidad, que se pueda usar en los motores diesel, sin tener que incurrir en
adaptaciones tecnológicas complicadas.
El uso de combustibles salidos de procesos biológicos, donde la materia prima son
desechos, se está optimizando y las perspectivas al mediano y largo plazo, son
prometedoras. Se proyecta que los combustibles de tercera generación tengan
mejores comportamientos económicos que sus similares de primera y segunda
generación, contabilizando menos impactos ambientales y menos riesgos a la
seguridad alimentarias de países en vías de desarrollo, especialmente de
población vulnerable.
La utilización del tratamiento de aguas residuales con aprovechamiento energético
ya se está implementando en algunas partes del mundo con un éxito limitado
únicamente por las condiciones de los efluentes municipales, como es el caso de
la ciudad de Praga en la Republica Checa, en donde se aprovecha el biogás de un
reactor de lodos, el cual es utilizado para cubrir hasta el 70% de la demanda
energética de la planta de tratamiento de agua residual (Jenicek, 2012), con un
aporte al conocimiento de los sistemas de tratamiento anaerobio de lodos.
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MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS44
Otro ejemplo es el estudio realizado para la instalación de un reactor anaerobio de
lodos para la ciudad de London en Ontario, Canadá, en cuya prospección
realizada en 2011, se considera una infraestructura, que cubre no sólo las
necesidades de la planta de tratamiento, sino que puede generar cantidades
excedentes de energía, en formas de calor y energía eléctrica para suministrar a
usuarios domésticos o industriales. Las proyecciones son producir 5,8 MW de
electricidad por día y 11,9 MW de calor aprovechable (University of Western
Ontario, Department of Chemical and Biochemical Engineering, 2011), este
estudio fundamenta su aprovechamiento energético en un reactor de lodos, con
una factibilidad técnica.
La UNESCO (United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization) ha
publicado una perspectiva de los escenarios combinados de biocombustibles y las
perspectivas del agua para el 2030 (Lienden, 2010), donde establece que la
demanda de biodiesel se incrementará de tal forma que va a tender a igualarse
con la demanda de bioetanol. De otra parte se considera que los biocombustibles
de primera generación jugarán un papel activo en los problemas de escases de
agua, debido a la cantidad de agua natural que demandan para su cultivo,
cosecha y procesamiento.
1.4 Estado actual de las aguas residuales en el Área Metropolitana de
Bucaramanga.
El Área Metropolitana de Bucaramanga está formada por los cascos urbanos de 4
municipios, que son Bucaramanga, Floridablanca, Girón y Piedecuesta, en la
provincia de Soto del departamento de Santader.
El tratamiento de agua residual en esta región cuenta con plantas de tratamiento,
que no cubren la totalidad de los efluentes producidos en la ciudad, es así como
esta área cuenta con 763 kilómetros de tubería sanitaria, que colecta agua
residual que sirven a una población de 1’104 000 habitantes, existen algunos
colectores de agua de tipo mixto que están siendo independizados, para disminuir
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MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS45
la dilución de la carga del agua residual, en un plazo aproximado de 5 años
(Empresa Publica de Alcantarillado de Santander S.A. E.S.P, 2007).
EL agua residual se conduce hacia diferentes cuencas en las cuales se cuentan:
Rio Frío.
Rio de Oro Norte.
Rio de Oro La Marino.
Meseta.
Suratá Norte.
Los colectores de las aguas residuales descargan sobre estas cuencas en
diferentes caudales y cargas de acuerdo con la población que sirven en los
diferentes barrios de los municipios de Área Metropolitana;
Las corrientes colectoras primarias del sistema de alcantarillado del Área
Metropolitana, sin contar con el municipio de Piedecuesta son 4, las
correspondientes a Rio Frío, la Quebrada La Iglesia, Rio de Oro y la del Rio
Suratá, de estas corrientes solamente se tratan las correspondientes al Rio Frío,
que van a desembocar en la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales de Rio
frío, sistema operado por la Empresa Pública de Alcantarillado de Santander.
La planta de tratamiento de agua residual de Río Frío es un sistema de
tratamiento instalado en Floridablanca y tiene un tratamiento de los lodos, en este
proceso se purgan los lodos del reactor anaerobio de flujo ascendente (UASB
Upflow Anaerobic Sludge Blanket), y se dejan secar al aire libre, para luego
adicionarles cal, para estabilizarlos y disminuir su olor, para posteriormente ser
usados como abono forestal, en las reservas de bosque aledañas al área
metropolitana.
El biogás que se produce actualmente no se aprovecha, y se proyecta su
aprovechamiento, para el funcionamiento de la ampliación de la planta a 2 m3/s,
es importante anotar que la ampliación considera la utilización del biogás salido
del UASB, para realizar el movimiento del agua en un sistema aerobio en forma de
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MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS46
“carrusel” que es un sistema de lodo activado con inyección de aire, con
movimiento del agua dentro del tanque, para generar una zona aerobia y otra
anaerobia, las cuales van a reducir la demanda química de oxígeno (DQO) y
promover la nitrificación y desnitrificación (Empresa Publica de Alcantarillado de
Santander S.A. E.S.P, 2007).
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Figura 6: Corrientes receptoras de la meseta de Bucaramanga, Floridablanca y Girón
Fuente: (Empresa Publica de Alcantarillado de Santander S.A. E.S.P, 2007)
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MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS48
De la colección de estos interceptores se conduce el agua residual hacia los ríos
que reciben estos caudales, los vertimientos del Rio de Oro son afectados por las
descargas de Girón y las de la Quebrada La Iglesia, con agua residual de varios
sectores de Bucaramanga, los vertimientos del centro y norte de Bucaramanga
van a ser descargados en el Rio Suratá, estas descargas se realizan sin ningún
tipo de tratamiento, es decir las aguas residuales crudas van a afectar
negativamente a estas cuencas, causando impactos en el ambiente,
especialmente la eutrofización del agua superficial y producen olores ofensivos,
para los habitantes aguas abajo de las descargas.
Es importante anotar que el modelo de colección de las aguar residuales en el
Área Metropolitana de Bucaramanga (AMB), sigue el modelo de la mayoría de las
ciudades colombianas, que descargan sus efluentes a cuerpos de agua de bajo
caudal, transformándose en colectores abiertos.
En la tabla 8 se identifican los valores de los caudales y cargas del sistema de
alcantarillado correspondientes a Bucaramanga, Floridablanca y Girón, que son
administradas por la empresa EMPAS. Este sistema se demuestra que es de alta
complejidad y se advierte que el caudal per cápita es de 203 litros día por
habitante, lo que representa una carga aproximada de 181.353 metros cúbicos al
día de agua residual, con una carga promedio de 57,67 toneladas de DQO que
recibe estas cuencas principales, que corresponden a más del 80% de los
habitantes del Área Metropolitana.
Las descargas de aguas residuales de cada cuenca tienen diferentes valores, de
acuerdo con las actividades de cada zona. Es así como las correspondientes a
zonas del centro de Bucaramanga reciben descargas con efluentes de algunas
industrias, las cuales no se han ubicado en la zona industrial de Chimitá y
especialmente se reciben efluentes de tipo industrial de las compañías dedicadas
a los servicios Industriales, que son las predominantes en los barrios Gaitán y
Girardot.
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MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS49
Tabla 8: Valores de caudales y cargas de contaminantes en Bucaramanga,
Floridablanca y Girón
Fuente: (EMPAS - Empresa Publica de Alcantarillado de Santander S.A. E.S.P.,
2007)
Este panorama se va incrementando conforme al crecimiento de la ciudad, pues el
Área Metropolitana de Bucaramanga cuenta con índices de bienestar para sus
habitantes, en los cuales se destaca, como una ciudad con bajo desempleo, con
buenos servicios públicos y una buena cantidad de clase media, lo cual la ubica
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MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS50
como una ciudad equitativa en el contexto nacional (OBSERVATORIO DE
MERCADO DE TRABAJO DE BUCARAMANGA, 2012).
El Área Metropolitana de Bucaramanga ha aumentado su actividad industrial y
comercial en los últimos 5 años, consecuencia de esto se han aumentado los
caudales y cargas de las cuencas receptoras. Así mismo ha recibido a personas
de otras partes del país que han encontrado mejores condiciones de vida en este
sector del país.
En el campo internacional se cuenta con varios ejemplos de aprovechamiento
energético de las aguas residuales, como son el caso de la Planta de Tratamiento
de Agua Residual de Praga en la Republica Checa (Wastewater Treatment Plant),
que trata 3,5 m3/s, con un cubrimiento energético mayor al 70% del consumo de la
planta de tratamiento (Jenicek, 2012), ensayos en la planta de tratamiento de agua
residual de Sao Paulo en Brasil (Teixeira. Suani., 2006), estudios sobre la
factibilidad de la instalación de esta tecnología en London, Canadá (Salem. EL
Harakeh., 2011). Y otros con grandes avances sobre el aprovechamiento de la
digestión anaerobia; pero no con la combinación expuesta en esta trabajo, el
factor diferenciador es la alternancia con el cultivo micro algal y la utilización de
diferentes lodos del proceso de tratamiento de agua y del aprovechamiento de la
microalga.
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MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS51
CAPÍTULO 2
2. Metodología.
2.1 Metodología para la evaluación del potencial energético de las aguas
residuales del Área Metropolitana de Bucaramanga.
La metodología se presenta en dos frentes, uno en la búsqueda de generación de
biogás y el otro en la búsqueda de un cultivo de microalgas con potencial de
generación de biodiesel.
La búsqueda del potencial energético de los residuos líquidos implica la utilización
de 2 tipos de fuentes de información. Una es la información secundaria procedente
de estudios previos acerca de la producción de biocombustibles con residuos. Los
datos no presentes en la bibliografía, se obtienen, de forma experimental, para
realizar un establecimiento de índices con respecto a las cargas contaminantes y
su capacidad de producción de biogás y ácidos grasos.
Para establecer la búsqueda del potencial energético de los residuos líquidos se
emplea un Método Sistémico, modelando los procesos productivos de los
biocombustibles, determinando las variables relevantes que lo afectan
positivamente, indagando sobre las relaciones de todos los componentes bióticos
y abióticos de los cultivos microbianos y el uso del agua residual tratada como
materia prima de la elaboración de biocombustible gaseoso y líquido.
Las evaluaciones de los sistemas de producción de biogás, se analizarán con una
estadística descriptiva, y análisis de varianza, para establecer la significancia de
las variables que afectan los procesos de digestión anaerobia y el cultivo intensivo
de las microalgas.
Las comparaciones de los rendimientos biológicos se establecerán en el estudio,
para establecer las eficiencias de los procesos con respecto a los productos
obtenidos y que serán biogás de digestión anaerobia y biodiesel de origen
microalgal.
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MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS52
Para llevar a cabo la evaluación del potencial energético de las aguas residuales
del Área Metropolitana de Bucaramanga se dispone de 3 herramientas, que
pueden conducir al cálculo de las cantidades de los biocombustibles buscados
como resultado del tratamiento del agua residual doméstica, de los municipios que
conforman la AMB; las herramientas son el “software” LabVIEW versión 2012, el
“software” ASPEN PLUS versión 7.3 y los criterios de diseño de los sistemas de
tratamiento de agua residual, son las cinéticas de transferencia de masa y
transformación de sustancias carbonadas en los biocombustibles biogás y
biodiesel de origen microalgal.
2.1 Diseño experimental.
Para llevar a cabo el levantamiento de los rendimientos propios de los procesos se
realiza tres principales modelados, fundamentándose en las operaciones unitarias
que producen los metabolitos buscados. Las operaciones son la simulación de un
reactor UASB junto con un reactor anaeróbico de lodos y una laguna aerobia de
alta tasa.
Las unidades generadoras de los biocombustibles o la materia prima de ellos, son
el centro de atención de la evaluación del potencial energético. Las cinéticas de
cada uno de los comportamientos de las unidades nombradas han sido probadas
con anterioridad a nivel experimental, y en varios casos, como lo es el caso del
biogás de UASB y de reactores de lodos, ya se encuentran disponible como
información de origen secundario en reactores similares dentro y fuera de la zona
tropical. Cabe anotar que la mayoría de la información se encuentra en países
desarrollados dentro de la zona templada del planeta, y las otras se encuentran en
zonas subtropicales y sólo pocas en la zona tropical, similar a las condiciones de
la AMB.
2.1.1 Aplicación de software.
Los software nombrados para determinar el funcionamiento del sistema de
tratamiento de agua y productor de los biocombustibles se aplican para facilitar la
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MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS53
comprensión del sistema propuesto en este estudio y tienen diversas
características, de las cuales sólo se aprovechan algunas, pues los alcances del
proyecto limitan el uso más amplio de estas herramientas.
El uso de LabVIEW se realiza para integrar el sistema de tratamiento de agua con
el sistema de recolección de los biocombustibles en una sola unidad operativa,
que puede ser llamada tanto sistema de aprovechamiento energético y de
tratamiento de agua residual municipal.
EL LabVIEW tiene como característica poder establecer procesos en forma de
operaciones de distintos tipos, creando diagramas de bloques en su formación.
Para el presente estudio se programó solo con la intención de establecer el
sistema de aprovechamiento energético como una planta de producción, donde se
consideran 2 partes fundamentales. El sistema de tratamiento de agua residual y
el sistema de recolección de los efluentes del sistema y su transformación en
biocombustibles.
El uso del ASPEN PLUS 7.3 se aplica con fines de balance de materia, en el cual
se establece como la unidad de cálculo la transformación del DQO presente en el
agua residual en biogás y la fijación de CO2 atmosférico para la formación de
biomasa celular microalgal. Esta herramienta recibe las indicaciones de las
cinéticas que se describen en otros apartes de este capítulo, que gobiernan las
transformaciones de la materia tratada; para poder correr el programa es
necesario generar un ajuste de programación, pues la diversidad de los
contaminantes entrantes con el agua residual, establecen una complejidad
sustancial al programa, para simplificarlo, se establece la cinética de consumo de
glucosa por parte de los microorganismos anaerobios para la generación de
biogás, en la parte heterotrófica, y para la parte de formación de alga se sigue el
modelo de crecimiento microalgal.
Las cinéticas microbianas para digestión anaerobia tienen diferentes
comportamientos, pero para el caso actual se seleccionó el modelo Anaerobic
Digestion Model 1 (ADM 1) por ser el modelo que mejor se ajusta a la compleja
EVALUACIÓN DEL POTENCIAL ENERGÉTICO DE LAS AGUAS RESIDUALES MUNICIPALES DEL ÁREA METROPOLITANA DE BUCARAMANGA CON TRATAMIENTO PARA GENERACIÓN DE BIOGAS Y BIODIESEL MICROALGAL
MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS54
dinámica de las transformaciones biológicas, modelo que se describe en un
numeral posterior, dentro de este capítulo.
2.1.2 Reactor Anaerobio tipo UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket).
El reactor UASB es el más utilizado en el campo del tratamiento de aguas
residuales (Agencia Andaluza de la Energía, 2011), debido a su fácil manejo y la
eficiencia en el tratamiento y la capacidad de producción de biogás. En lo
referente a la zona tropical, esta tecnología ha sido exitosamente implementada,
teniendo en cuenta que el reactor no sufre de cambios de temperatura
significativos, la falla que si se presenta en los países por fuera del trópico, pues
las variaciones de temperatura pueden disminuir el metabolismo de los
microorganismos dentro de los reactores.
Figura 7: Tecnologías para tratamiento anaerobio de aguas y lodos
Fuente: Agencia Andaluza de la Energía.
El reactor UASB, posee una configuración sencilla, que lo hace muy versátil para
ser aplicado, pero posee debilidades asociadas al lavado del reactor,
especialmente cuando ingresa más agua residual de la prevista en el diseño, y así
mismo la entrada de agua con muy poca carga disminuye su eficiencia, pues se
comporta muy bien en cargas medias y altas.
EVALUACIÓN DEL POTENCIAL ENERGÉTICO DE LAS AGUAS RESIDUALES MUNICIPALES DEL ÁREA METROPOLITANA DE BUCARAMANGA CON TRATAMIENTO PARA GENERACIÓN DE BIOGAS Y BIODIESEL MICROALGAL
MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS55
Una de las características del reactor UASB es su capacidad de transformar entre
un 70 y 95% la materia orgánica en biogás (Agencia Andaluza de la Energía,
2011), pero tienen sensibilidades que pueden llevarlo a salir de su estado de
equilibrio. Esto se debe a la irregularidad del afluente, y a su diferencia en
composición dependiendo de la época del año en que se trate. Es así como es
necesario que el sistema preliminar elimine eficientemente las grasas, arenas, la
corrección de pH, para garantizar la eficiencia del sistema.
El reactor UASB puede trabajar en sistemas batch, feed batch o continuo, siendo
este último la configuración preferida para el tratamiento de aguas residuales,
pues los altos volúmenes no dejan lugar a estacionalidades momentáneas, con
tiempos de retención que fluctúan entre la 6 horas y las 12 horas (RAS 2000
TITULO E, 2000).
Figura 8: Esquema del funcionamiento de un reactor UASB.
Fuente: (Agencia Andaluza de la Energía, 2011)
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MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS56
La estabilidad del reactor UASB es un proceso que depende directamente del
proceso de arranque, el cual empieza como un reactor en “batch”, que llega a los
valores normales de concentración de biomasa (X), sustrato (S) y producto (P).
Estas características deben llegar a un equilibrio que permite maximizar el
consumo de sustrato, junto con la maximización de la síntesis del producto, (en
este caso es biogás), en una mezcla gaseosa, donde los gases mayoritarios son el
metano (CH4) y el dióxido de carbono (CO2), con características en
concentraciones de otros contaminantes, donde se cuenta el ácido sulfhídrico
(H2S), y otros compuestos que se volatilizan, desorviendose como parte del
producto del metabolismo energético de los grupos microbianos descritos.
El estado de equilibrio se establece en la medida que el factor de dilución (D), se
aproxima al valor de la velocidad específica de crecimiento (µ), que para la
cinética establece la igualdad entre la capacidad de crecimiento de las células
microbianas y la velocidad con la cual se pierden las células en el lodo generado
en el reactor y las células perdidas en el flujo del agua residual en el proceso de
tratamiento.
Ecuación 1 𝐃 = µ
Esto indica que el equilibrio es una condición cinética, la cual debe mantener las
concentraciones de la biomasa, del sustrato y del producto en el valor con mayor
probabilidad de mantener el funcionamiento del reactor sin sobresaltos. Otra
condición importante de la capacidad del reactor reside en el contacto del sustrato,
en términos de la materia orgánica transportada por el agua residual, con las
células capaces de transformarlo en biogás como producto principal del proceso,
estas condiciones de operación no son estables dentro del funcionamiento del
reactor, aún más si se considera que el reactor posee internamente un sistema de
control de temperatura, que demanda costos importantes, pues el calentamiento
de grandes masas de agua requiere una gran cantidad de energía, y el
mantenimiento de un sistema de automatización tiene grandes complejidades.
EVALUACIÓN DEL POTENCIAL ENERGÉTICO DE LAS AGUAS RESIDUALES MUNICIPALES DEL ÁREA METROPOLITANA DE BUCARAMANGA CON TRATAMIENTO PARA GENERACIÓN DE BIOGAS Y BIODIESEL MICROALGAL
MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS57
Para poder mejorar la temperatura del agua se propone el calentamiento con parte
del biogás generado por el reactor, controlado por un sistema electrónico, que
pueda mantener la isoterma dentro de una fluctuación de temperatura no mayor a
más o menos cinco grados centígrados (+o-5ºC), otras estrategias se implementan
con el calor percibido de la radiación solar, con tuberías que puedan transferir el
calor radiado al agua; una de las ventajas de estar en el trópico es contar con una
gran cantidad de radiación solar disponible, y que la isoterma no va a estar muy
lejos, pues las mejores producciones de biogás y de consumo de DQO se
encuentran generalmente entre 35 y 40ºC, y las aguas residuales tropicales
rondan los 20 a 25ºC.
La capacidad de consumo del DQO del reactor se puede mejorar con fases de
ajuste de pH óptimo 6,8 – 8,2 (Organización Latinoamericana de Energía
"OLADE", 2011), considerando la mínima adición de ácidos o bases fuertes en la
eventualidad de necesitarlo, de esta forma se puede obtener una optimización del
sistema de generación de biogás, los pH de inhibición se encuentran entre 6,5 y
8,2 (Del Real. O., 2007).
2.1.3 Reactor anaerobio de lodos.
El reactor de lodos que se usa en esta simulación tiene que ver con un recipiente
que recibe los lodos provenientes del reactor UASB, los lodos del desarenador, y
los lodos residuales de la separación de las sustancias de interés del cultivo de
microalgas en una laguna de alta tasa.
La configuración del reactor es cilíndrica, con flujo de lodos ascendente, en el cual
dispone de 4 a 8 días de tiempo de retención hidráulica, con un sistema captador
de gases, que a su vez conduce el biogás hacia el sistema de depuración de
biogás.
El reactor de lodos se opera en continuo, preferiblemente con un rango de
temperatura termofílico, entre 52ºC y 55ºC, para su mayor desempeño.
Adicionalmente esta temperatura ayuda a la muerte de una parte de los patógenos
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MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS58
presentes en el lodo, especialmente aquellos sensibles a las temperaturas
establecidas.
2.1.4 Laguna aerobia de alta tasa.
Cultivo de Algas: la simulación de este cultivo se realizará de dos maneras, la
primera en un fotoreactor hermético, conservando la pureza del cultivo de algas.
Allí donde se ha establecido una preferencia por el uso de Chlorella vulgaris, como
un firme candidato a ser una de las algas a probar, como fuente de biodiesel.
Figura 9: Laguna de alta tasa
Fuente: aguapuntocero wordpress.com
La modelación se realiza como un cultivo algal expuesto, sin protecciones que lo
hagan hermético, lo que dará una idea clara de la afectación por microorganismos
y demás factores externos.
Los datos son tratados con un análisis de varianza, para establecer si existen
diferencias significativas entre los dos sistemas en condiciones tropicales con
tiempos de irradiación de 12 x 12 horas.
EVALUACIÓN DEL POTENCIAL ENERGÉTICO DE LAS AGUAS RESIDUALES MUNICIPALES DEL ÁREA METROPOLITANA DE BUCARAMANGA CON TRATAMIENTO PARA GENERACIÓN DE BIOGAS Y BIODIESEL MICROALGAL
MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS59
El cultivo de las algas se realizará en un tiempo de retención hidráulica de 2 días,
con un rendimiento aproximado de 1g/ld de masa celular, estableciendo una fase
previa de ajuste, que provea y balancee los micronutrientes, que se encuentren en
déficit, para el crecimiento algal.
2.1.5 Modelo anaerobio de cinética microbiana
La cinética microbiana es un factor determinante en el funcionamiento de todo
sistema de tratamiento de aguas residuales que dependa de microorganismos
para la transformación de la carga contaminante en otros productos metabólicos,
que son orientados según sea en medio aerobio o anaerobio.
La velocidad con la cual los microorganismos pueden crecer en número de células
(N) y por ende en su masa (X); la correlación del crecimiento de la biomasa con el
consumo del sustrato (S) y su relación con la síntesis del producto (P) son el
objeto de estudio de la cinética, para la determinación de los rendimientos de
cualquier proceso mediado por microorganismos; en la interpretación matemática
de estas variables se han planteado varios modelos cinéticos, que enfatizan su
operatividad en la velocidad específica de crecimiento (µ), variable que define
cómo es el crecimiento de un microorganismo en un medio de cultivo específico y
su relación de capacidad de consumo de sustrato en función de su constante de
saturación (Ks).
Los modelos cinéticos pueden agruparse en estructurados y no estructurados,
como lo sugiere Fredrickson en 1970 (Fredrickson, 1970), para el caso de los
estructurados se plantea que en la célula sólo se tienen en cuenta una o dos
especies químicas, como pueden ser los carbohidratos y las proteínas, y que no
interactúan en el proceso metabólico los demás componentes. Así mismo de las
reacciones metabólicas que lleva a cabo la célula sólo se da relevancia a aquella
que tiene importancia comercial, pero para el caso de la digestión anaerobia y el
cultivo microalgal no puede ser considerados, pues si tenemos en cuenta que el
medio de cultivo van a ser aguas residuales y que no se va a comportar como un
cultivo axénico, no es posible aplicar estos modelos.
EVALUACIÓN DEL POTENCIAL ENERGÉTICO DE LAS AGUAS RESIDUALES MUNICIPALES DEL ÁREA METROPOLITANA DE BUCARAMANGA CON TRATAMIENTO PARA GENERACIÓN DE BIOGAS Y BIODIESEL MICROALGAL
MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS60
Los modelos cinéticos no estructurados, por su parte consideran a la célula en por
lo menos los 4 principales elementos y su relación de abundancia en la célula, que
son los correspondientes a carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O) y nitrógeno
(N), en su fórmula empírica, y su intercambio másico con el medio de cultivo, y con
la transferencia de masa del sustrato hacia el producto. Entre los modelos
cinéticos no estructurados principales se cuentan en de Monod, Moser, Contois-
Fujimoto, Teisser, Konak, Kargi-Shuler, Meyrath, Hinshelwood, y La Motta (Duarte,
1995), de estos el más aplicado es el de Monod, el cual ha sido modificado en
diferentes formas y la aplicación más frecuentemente usada para el caso
específico de la digestión anaerobia, es el modelo Anaerobic Digestic Model 1
(ADM1), desarrollado por The International Water Asociation (IWA) (Batstone. D.
J., 2002). Este modelo se basa en el modelo de Monod, con algunas
modificaciones.
Cinética de Monod
La cinética de Monod establece un modelo dependiente del sustrato y de su
capacidad de estar disuelto en el agua, y se representa con las siguientes
ecuaciones.
Ecuación 2 𝛍 = 𝛍𝐦𝐚𝐱 ∗𝐒
𝐒+𝐊𝐬
Dónde:
µ= velocidad específica de crecimiento (d-1 o h-1).
µmax= velocidad específica de crecimiento máxima (d-1 o h-1).
S= Concentración de sustrato (kg DQO/m3).
Ks= Constante de saturación (kg DQO/m3).
Esta expresión indica que la velocidad específica de crecimiento (µ) en un medio
de cultivo es igual a la velocidad específica máxima (µmax), multiplicado por la
concentración del sustrato, dividido en la sumatoria de la concentración del
sustrato con la constante de saturación de ese sustrato (Ks)
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La segunda expresión que la cinética de Monod provee, nos indica la forma en la
cual se consume el sustrato, así.
Ecuación 3 𝛄𝐬 =𝟏
𝐘𝐱𝐬
∗ 𝛄𝐱
En esta expresión se fundamenta el consumo de sustrato donde:
ɣs= Velocidad de consumo de sustrato (kg DQO/m3h).
ɣx= Velocidad de crecimiento de la biomasa microbiana (kg DQO/m3h).
Yx/s= Rendimiento de la biomasa con respecto al sustrato(kg biomasa/ kg
DQO).
La velocidad de crecimiento de la biomasa se define en la siguiente ecuación.
Ecuación 4 𝛄𝐱 = 𝛍 ∗ 𝐱
En esta ecuación se determina la velocidad de crecimiento de la biomasa,
multiplicando la velocidad específica de crecimiento por la concentración inicial de
la biomasa (Ertola. Rodolfo., 1994).
El cálculo del rendimiento Yx/s es:
Ecuación 5 𝐘𝐱
𝐬= −
𝐗−𝐗𝐨
𝐒−𝐒𝐨
Este modelo cinético explica el comportamiento de un sistema microbiológico en
condiciones ideales, en las cuales no se tienen en cuenta los factores de
inhibición, derivados de los cambios dentro del cultivo, es por esto que se hace
necesario la modificación del modelo, para ajustarlo a una cinética más cercana al
comportamiento de la digestión anaerobia en un digestor; para esto se propone el
modelo ADM1, el cual considera una serie de condiciones más acorde con el
primer proceso de tratamiento del agua residual (Parker, 2005).
La cinética de Monod se establece en condiciones ideales de funcionamiento del
sistema de crecimiento celular, y no agrega información sobre los posibles efectos
externos e internos dentro del comportamiento de un sistema biológico, esta
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información se complementa con la aplicación del modelo ADM 1, como se
muestra en el siguiente numeral.
Modelo ADM1.
El modelo ADM1, se fundamenta en el modelo de Monod,(ecuación 1) pero tiene
en cuenta factores de inhibición, de orden competitivo y no competitivo, los cuales
se muestran en las ecuaciones (Hernandez. M., 2011).
Ecuación 6 𝐈𝐜 =𝟏+𝟐,𝟏𝟎,𝟓[𝐩𝐇𝐋𝐋−𝐩𝐇𝐔𝐋]
𝟏+𝟏𝟎[𝐩𝐇−𝐩𝐇𝐔𝐋]+𝟏𝟎[𝐩𝐇𝐋𝐋−𝐩𝐇]
Dónde:
Ic= Inhibición por efectos competitivos (d-1 o h-1).
pH: Valor de pH medido
pHUL: Valor de pH Alto de inhibición
pHLL Valor de pH bajo de inhibición.
Los efectos de pH son considerados competitivos debido a que las enzimas de los
microorganismos responden a los cambios de pH, tanto altos como bajos, pues la
cinética enzimática depende de los pH ideales para cada reacción, es importante
anotar que esta condición establece una ecuación de tipo empírico, pues el pH
debe ser medido para determinar su capacidad de inhibición, así mismo se
establece que esta forma de inhibición se cuenta en d-1, pues se da en las
unidades de la velocidad específica de crecimiento (µ).
La otra ecuación que tiene en cuenta las inhibiciones no competitivas, se
fundamenta en las acciones que disminuyen la velocidad específica de
crecimiento de los microorganismos, fuera de los sectores activos de las enzimas,
pues esta es definida por la inhibición competitiva, y se establece con la siguiente
ecuación.
Ecuación 7 𝐈𝐧𝐜 =𝟏
𝟏+𝐒𝐢𝐊𝐢⁄
Dónde:
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Inc= Inhibición por efectos no competitivos (d-1 o h-1).
Si= Concentración de sustrato inhibidor (kg DQO/m3).
Ki= Constante de inhibición (kg DQO/m3).
Esta forma de inhibición se establece para las sustancias que puedan ser
inhibidoras del crecimiento celular, cuando se encuentran por fuera de los rangos
máximos establecidos, pero su ausencia es igualmente nociva, pues hacen parte
de los sustratos de consumo regular, como es el caso del amonio (NH3), dióxido
de carbono (CO2) o hidrógeno (H+) libre.
Para efectuar la evaluación con esta cinética se toman las afectaciones más bajas
de la generación de biogás, esto debido a que se plantea en el diseño de la planta
de tratamiento de agua residual, fases de ajuste de pH, y normalizaciones del
agua, que mantengan el estado de equilibrio del cultivo continuo, que representan
el UASB y el reactor de lodos.
Los inhibidores tanto competitivos como los no competitivos afectan el
metabolismo microbiano en su función enzimática, ya sea en la parte anabólica,
como la catabólica.
Las fases de ajuste se presentan en zonas de transito del agua residual en la
entrada del Reactor UASB, y del lodo en la entrada de Reactor de lodos, junto con
el ajuste de temperatura para el lodo.
Para el UASB la fase de ajuste se considera en una unidad de filtro de carbón
activado, que retiene las toxinas por adsorción y otro ajuste en la adición de NaOH
y HCl, para mantenerlo en el intervalo ideal.
2.1.6 Modelo cinético de crecimiento de la microalga.
EL crecimiento microalgal responde a variables estequiométricas definidas en la
capacidad de la especie de microalga seleccionada para el proceso, y de la
calidad del medio de cultivo en la cual se produce el crecimiento del
microorganismo; en la búsqueda de un sistema de cultivo continuo que pueda
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tratar el agua residual efluente del reactor UASB y generar una producción
significativa de biomasa, que permita un aprovechamiento energético de la misma.
La simulación del crecimiento se establece con respecto a los pasos realizados
para promover la generación de nuevas células, y a la vez la capacidad de
cosecharlas y realizar procesos extractivos que provean diferentes tipos de
materias primas, dentro de las cuales se privilegian las de características
energéticas, como lo son las grasas para proceso de esterificación (Henson.,
2013) y obtención de biodiesel; por otra parte la biomasa residual, que puede ser
aprovechada para generación de biogás en el reactor de lodos.
El modelo de crecimiento se establece la utilización de aguas residuales con el
crecimiento de la microalga, el cultivo se delimita dentro del sistema de tratamiento
de agua residual, el cual recibe como afluente las aguas salidas de un reactor
UASB, con concentraciones de nitrógeno y fósforo, compuestos que no son
totalmente removidos en el proceso de digestión anaerobia, pues la velocidad de
crecimiento del metabolismo anaerobio tiene limitantes, pues es productor de
biogás, pero no consume todo el nitrógeno y fósforo en el reactor, pues los
tiempos de retención hidráulico se contemplan entre 24 y 48 horas, tiempo en el
cual la separación del nitrógeno y fósforo es marginal, en este sistema.
La transformación del CO2 diluido en el agua en compuestos orgánicos es la
reacción principal, mediada por los balances de nitrógeno y fósforo en el agua de
cultivo, y con la participación de la radiación solar, que provee de energía a las
vías fotosintéticas de la microalga; la laguna aerobia propuesta para la el
crecimiento algal debe ser suplementada con nutrientes, solamente en los casos
en los cuales las precipitaciones provoquen una gran dilución de los nutrientes
disueltos en el agua residual, y estos nutrientes deben ser tomados del efluente
del digestor de lodos, con una materia orgánica estabilizada.
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Figura 10: Diagrama de flujo del modelo de cultivo microalgal en agua
residual municipal
Fuente: Autor
2.1.7 Diseño del Sistema de tratamiento de agua residual propuesto para las
aguas del Área Metropolitana de Bucaramanga.
Para realizar la evaluación del potencial energético del agua residual del Área
Metropolitana de Bucaramanga se realiza un ejercicio conceptual de diseño del
sistema de tratamiento propuesto, pues esto corresponde a un estudio de caso, y
la principal planta de tratamiento de esta zona está cerca del caudal propuesto en
este diseño.
El sistema propuesto para el tratamiento del agua residual de Área Metropolitana
de Bucaramanga se describe ampliamente en el anexo 1, adicional a este
documento; para dar una idea clara de este, se presenta la siguiente figura.
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Figura 11: Sistema de tratamiento propuesto para la evaluación del potencial energético de las aguas residuales de la AMB
Autor
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CAPÍTULO 3
3. Depuración y ajuste del biogás y aprovechamiento de los lípidos de
microalga.
3.1 Depuración del biogás.
El biogás del sistema de tratamiento propuesto tiene 2 corrientes, como se
expresa en el esquema del modelo en LABVIEW, una línea se desprende de las
campanas GSL, de los reactores UASB, y la otra línea sale del reactor anaerobio
de lodos. En los 2 casos el biogás tiene composiciones de CH4, CO2 y otros gases
disueltos, y el H2S y los gases amoniacales NH4, que participan en la generación
de olores ofensivos.
Para la utilización del biogás es necesaria la mayor concentración posible de
metano, eliminando el contenido de dióxido de carbono y especialmente de la
humedad y del ácido sulfhídrico, que corroen los ductos de biogás.
Las operaciones necesarias para la depuración del biogás se definen como una
serie de pasos del gas por diferentes recipientes que separan los gases no
deseados mediante diferentes capturas y se concentra de esta manera el metano;
las operaciones unitarias a usar son:
Eliminación de compuestos amoniacales: esta operación se puede llevar a
cabo mediante la aspersión de ácido sulfúrico (H2SO4) (Osorio, 2009), con
concentraciones de 1N, que puedan capturar los iones NH4+, formando
sulfato de amonio, que se acompleja y se precipita, pues este queda
disuelto en el líquido hasta su saturación y precipitación en la solución
ácida.
Eliminación de compuestos orgánicos volátiles: este procedimiento se lleva
a cabo con una oxidación, mediante la aplicación de hipoclorito de sodio
NaClO, el cual se aplica al 2% en una torre en aspersión a contracorriente,
capturando por absorción a estos compuestos, retirándolos del biogás.
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Eliminación de ácido sulfhídrico: este compuesto se elimina mediante la
aspersión en contracorriente en una torre, con soda caustica NaOH, en una
concentración de 1N, la cual atrapa el H2S, así NaOH + H2S = Na2S +
H2O, la separación del sulfuro es eficiente y puede eliminarse a niveles en
que no se considere peligroso o como un olor ofensivo.
Eliminación de la humedad: para realizar la separación de la mayor parte de
la humedad se requiere una fase donde se combinan 2 técnicas, la
facilitación del punto de rocío de la humedad presente en el biogás y
posteriormente se hace pasar el biogás por un lecho empaquetado de sílica
gel, la cual atrapa el agua por adsorción, activando un reactivo de cambio
de color cuando esta está en su saturación de agua. Esta sílica tiene la
capacidad de ser regenerada en varias oportunidades, lo que ayuda a su
reutilización continua
Eliminación de CO2: la separación de este gas tan abundante en el biogás
es uno de los mayores problemas, y para ello se puede implementar una
técnica mixta, en la cual se puede separar por absorción química, con un
medio básico, y de manera similar a la que trabaja con el ácido sulfhídrico.
Con la soda caustica se puede llevar a cabo la reacción CO2 + 2NaOH =
Na2CO3 + H2O, en la cual la formación de carbonato, que puede ser
separado por diferencia de densidad, pues este compuesto es más pesado
que el metano y en una torre de separación va a quedar en menor
proporción, ayudando a la capacidad calorífica del biogás resultante; para
separar con mayor eficiencia el CO2, pe puede combinar con la técnica de
la adsorción física en sólidos comunes como la alúmina, la cual atrapa el
dióxido de carbono. Este proceso ya es ofrecido por empresas proveedoras
de esta tecnología de depuración de gas, como EISENMANN
Maschinenbau GmbH & Co.KG., en Alemania
La depuración del biogás necesita adicionalmente el control de las presiones de
salida, y de válvulas que no permitan el contraflujo, esto derivado de los posibles
cambios de temperatura; el esquema de depuración de biogás se define así:
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Figura 12: Depuración del biogás.
Esquema de depuración de biogás
Fuente: Autor
El aprovechamiento del biogás generado se aplica para aumentar la
independencia energética de la planta de tratamiento de agua residual, y en casos
ya verificados puede ser superior al 70%. Es decir solamente el uso del biogás
derivado de la digestión anaerobia de los lodos suministra esta potencia, en
tratamientos superiores a 1 m3/s (Jenicek, 2012); esta cosecha de biogás se
aumenta con la salida de biogás de los reactores UASB, con el cual se puede
consolidar la total independencia energética de la planta en todas sus formas de
consumo de energía, tanto de calor, energía eléctrica y otros consumos.
Los excedentes de biogás en la planta se ofrece a otros usuarios, o se puede
entregar a una red de distribución de gas natural, previamente estudiado los
resultados de la mezcla de gases en la red, pues estos modificarán la capacidad
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calorífica del gas natural en la red, pues el biogás aún con la depuración tiene
características de gas pobre y agrio.
Las calidades del biogás son producto del control del reactor de lodos, y el tiempo
de retención hidráulica puede variar de acuerdo con las concentraciones de DQO
presentes en los lodos que se integran en este punto, esto requiere una operación
flexible en función de los resultados analíticos de los lodos aportantes y de la fase
de ajuste que requieran, propendiendo por optimizar cada operación del reactor.
Como medida de seguridad el sistema de tratamiento de lodos debe poseer una
redundancia, debido a que el funcionamiento de esta unidad debe realizarse
alternadamente, para permitir la intervención del mantenimiento continuo, sin dejar
del tratar estos lodos y su aprovechamiento energético.
3.2 Aprovechamiento de lípidos microalgales.
El aprovechamiento de las microalgas es materia de investigación y la factibilidad
de los procesos a costos razonables que puedan competir con los costos
generados en la industria energética convencional, derivada de la refinación
petrolera. Las microalgas tienen la característica de poseer diversas sustancias de
interés industrial, donde como diferentes tipos de lípidos, proteínas y
carbohidratos, la fuerte estabilidad de todas estas sustancias dentro de la célula,
hacen que su separación se haga difícil, y la destinación exclusiva del uso de los
lípidos lo hacen poco rentables, pues los usos industriales de los lípidos son
limitados y en el caso particular de los combustibles de alto consumo son de bajo
costo y esto ha pesado en la capacidad de llegar al equilibrio del escalamiento
industrial.
Para hacer más rentable la utilización de las microalgas deben aprovecharse
todas las sustancias de interés industrial, para lo cual se requiere realizar una
refinación de la pasta cruda del alga y la separación de las diferentes sustancias
con valor agregado. Esto se denomina biorefinería, pues su materia prima parte de
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MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS71
organismos cultivados y vivos en el momento de cosechar la pasta cruda (Halim.
Ronald., 2012).
Una característica del sistema de cultivo propuesto en este proyecto es el sistema
de cultivo abierto, como lo es una laguna aerobia de alta tasa, este cultivo sólo
puede ser instalado con la fijación de carbono atmosférico, y con tan solo un
ajuste en el agua de cultivo, donde se suministran los nutrientes faltantes y con
sistemas integrados de cosecha de las microalgas, que generen los menores
costos de inversión posibles, junto con el menor costo energético en su cosecha,
separación y refinación de la pasta cruda. Otra cualidad del cultivo que determina
el crecimiento de la microalga está definido por la cantidad de radiación solar
recibida, esto es el microclima del sitio donde se instalen las lagunas va a
determinar el crecimiento celular (Slegers. P.M., 2013).
Otras condiciones climáticas que determinan el rendimiento del cultivo residen en
la condición de encontrarse en una zona templada o en una zona tropical, pues las
radiaciones medias anuales son diferentes y las fluctuaciones de temperatura
determinaran la velocidad de crecimiento de las microalgas.
Además de las condiciones de cultivo, las condiciones reológicas afectan los
transportes de la biomasa, pues el crecimiento de estos microorganismos afecta
las condiciones de densidad y viscosidad del medio de cultivo, junto con las
condiciones de turbiedad y color del mismo (Smith. Benjamin T., 2013); de la
misma manera la extracción de la pasta cruda algal se verá determinada por todas
las características nombradas, y definiendo la profundidad de las lagunas
paralelas en 1,5 m como profundidad máxima se destaca que la población
microalgal debe cosecharse con regularidad, pues una sobrepoblación de
microalgas, disminuye la cantidad de radiación capaz de incidir en la zona fótica
de la laguna, esto a su vez disminuye la velocidad de crecimiento de la microalga
y permite en su parte más profunda unas condiciones de oscuridad y anoxia
favorables para la digestión anaerobia y sus problemas de afectación a la
atmósfera con la emisión de gases de efecto invernadero y la generación de
olores ofensivos.
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La biología de cuerpos de agua residual está expuesta a la contaminación externa
y a la ecología microbiana que es difícil de predecir, sin embargo la inoculación de
la masa de agua residual entrante es una operación necesaria, pues de no
favorecer a la especie objetivo, se corre el peligro de que no se coseche el
metabolito de interés; es igualmente necesario el mantener los microelementos
más importantes para la especie de microalga a cultivar, adicionalmente la
medición de la turbiedad y el color del agua en cultivo, determinarán el tiempo de
la cosecha, pues la irregularidad de la entrada de nutrientes puede coadyuvar o
demorar el crecimiento.
La cantidad de lípido asociada al cultivo de microalga en el agua residual tratada
depende directamente de la especie y como ya se citó de las condiciones
climáticas, en el caso específico planteado en esta evaluación se toma la actividad
de la Chlorella sp la cual presenta una permanencia en aguas residuales
municipales y puede mantenerse como la microalga dominante del cultivo, por su
capacidad de adaptación al media, a pesar de la competencia de otros
microorganismos presentes en el agua residual municipal, esta microalga puede
sintetizar hasta 77mg/lid de lípidos en buenas condiciones de crecimiento, con un
µ=0,019 h-1, y con un rendimiento de producción de biomasa de Y=231mg/ld, con
un rendimiento de 33% de su masa en lípido (Zhou. W, 2011), con tiempo de
retención de 2 a 4 días, además las disminuciones de contaminantes como
nitrógeno y fósforo se evidencian, cuando se separa la microalga del agua.
La cosecha de la microalga puede realizarse mediante diferentes métodos dentro
de los cuales se destacan los métodos para romper las células y permitir la mezcla
de todos los compuestos celulares en una emulsión que debe someterse a la
desestabilización y a la generación de interfaces entre los compuestos con
diferencias de densidad; los métodos de disrupción celular son diversos y los más
usados se presentan en la siguiente tabla.
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MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS73
Tabla 9: Métodos de disrupción celular tradicionales
Disrupción Celular Mecánica Disrupción Celular No
Mecánica
Cizalladura
sólida
Cizalladura
líquida Otros Shock osmótico
Molido con
martillos Ultrasonido
Presión en
autoclave Disrupción enzimática
Con
presión
sobre el
sólido seco
Homogenización
a alta presión
Microondas
Adición de ácido o álcali
Liofilización
Fuente: (Halim. Ronald., 2012)
La disrupción de las células es el paso inicial para empezar a realizar las
extracciones de las sustancias de interés, las sustancias principales para el
presente trabajo son los lípidos que puedan ser transformados a biodiesel, y por
otra parte los sólidos residuales, con concentraciones importantes de
carbohidratos y proteínas, que pueden ser digeridos en el digestor de lodos, para
la producción de biogás (Tartakovsky. Boris., 2013); En términos sencillos las
algas aportan una importante cantidad de DQO al reactor de lodos, subiendo la
concentración de carbono disponible para la metanización y da aportes
importantes de nitrógeno y fósforo al reactor anaerobio.
La separación de la parte lipídica de la pasta algal cruda puede llevarse a cabo
con la captura con solventes orgánicos, técnica muy utilizada y con capacidad de
ser el solvente reciclado, los solventes más utilizados son el cloroformo, el hexano,
y algunos alcoholes como el isopropanol, el etanol y el metanol, también se usan
mezclas de estos, como las mezclas de hexano-isopropanol o cloroformo-metanol
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(Halim. Ronald., 2012), con estas operaciones extractivas es necesario la
inversión de una cantidad de energía, que se necesita para mover los fluidos entre
los diferentes recipientes donde son mezclados y donde reaccionan,
adicionalmente se debe invertir una cantidad de energía en calor, para la
recuperación del solvente, pues este se recupera vía destilación.
La extracción del lípido sólo conduce a un aceite refinado que en su composición
posee glicerol y ácidos grasos, que deben ser sometidos a un proceso de
transesterificación para obtener un biocombustible de uso final como lo es el
biodiesel, esta operación se aplica usando metanol, de la misma manera como se
produce el biodiesel convencional de aceites vegetales.
3.3 Otros aprovechamientos energéticos.
La generación de bicombustibles establecida en esta evaluación define dos
biocombustibles de uso final, el biogás y el biodiesel, pero existen otras opciones
de aprovechamiento energético de las sustancias producidas en una planta de
tratamiento de agua residual, esta generación energética puede producirse por
medio de la aplicación de técnicas de combustión o pirolización de los lodos
producidos en la planta.
Para poder desarrollar este aprovechamiento es necesario tener una desecación
total del lodo, pues es necesario para la aplicación de calor en las dos técnicas
nombradas, esta operación de secado puede llevarse a cabo mediante 2
operaciones ya estandarizadas, una es el secado con aplicación de calor al lodo,
lo cual demanda una energía extra, la cual no siempre se puede cubrir con la
energía generada en la combustión o en la pirolisis; el otro método de secado ya
probado es basa en el secado al aire libre de los lodos, esta opción tiene 3
inconvenientes, el primero está relacionado con la liberación de gases de efecto
invernadero mientras se lleva a cabo el secado, pues la actividad metanogénica
sigue produciéndose, en los sitios de microaerofilia, con microorganismos
tolerantes de pequeñas cantidades de oxígeno (Rittman, 2001), y el otro
inconveniente es la fuerte afectación en olores ofensivos, que se liberan, pues el
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secado requiere varios días y en este tiempo se liberan los gases de
características sulfhídricas y amoniacales propios de la digestión anaerobia; el
último de los inconvenientes planteados tienen que ver con el alto requerimiento
de área que demanda el secado al aire libre, y dentro de la infraestructura
necesaria se plantea una cobertura de toda el área demandada, con manejo de
lixiviados.
EL aprovechamiento energético descrito no sólo requiere de inversiones
adicionales, sino que además demanda tiempo y horas hombre que hacen menos
funcional al sistema de tratamiento de efluentes municipales.
En el escenario planteado en este proyecto no se considera esta alternativa, pues
se considera que la estabilización química del lodo y su posterior proceso para ser
aprovechado como un fertilizante forestal, es una estrategia que demanda menos
recursos y provee soluciones a este material (Christof, 2012).
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CAPITULO 4
4. Resultados de la evaluación del aprovechamiento energético.
Los resultados son derivados de la modelación del sistema propuesto con las
operaciones descritas en la metodología, y con las trasferencias de masa
realizada a lo largo de todo el proceso planteado en la planta de tratamiento de
agua residual, y con las calidades del agua residual reportada por la Empresa
Pública de Alcantarillado de Santander S.A (EMPAS).
La utilización de 2 software para realizar la evaluación del potencial energético son
las herramientas numéricas utilizadas para obtener los resultados de la
transformación del DQO en biogás y la fijación del CO2 atmosférico en las
microalgas; los resultados de las aplicaciones se muestran a continuación.
4.1 Resultados de la aplicación de los software.
Los software utilizados, como se descripción en la parte metodológica, fueron
LabVIEW, en su versión 2012, y ASPEN PLUS en su versión 7.3, en este orden
mostramos los resultados de cada simulación.
4.1.1 Resultados de aplicación de LabVIEW.
La aplicación de LabVIEW se consideró necesaria, para observar los flujos en
movimiento dentro del sistema propuesto, mediante una interfase gráfica, que este
software permite, la cual muestra explícitamente los movimientos del agua residual
y de los lodos residuales hacia los reactores y las demás unidades de tratamiento.
Para tener una idea más clara del sistema se presenta la figura XX, en la cual se
describe el sistema de tratamiento de aguas residuales propuesto, dentro del cual
se muestra la conformación de los flujos de materia tanto líquida, sólida y
gaseosa.
La interfase gráfica del software nos integra las corrientes de tratamiento de agua
con las corrientes de biogás y las de aprovechamiento del cultivo microalgal, con
los sentidos de flujo y transferencias.
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Figura 13: Sistema de tratamiento de agua residual en trabajo pleno
Fuente: Autor
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MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS78
La simulación del sistema se ha realizado en el software LabVIEW, el cual permite
ver los diferentes flujos en el sistema y cómo son conducidos a diferentes
sistemas de tratamiento para cosechar los sólidos, líquidos y gases útiles para uso
energético.
En la figura 13 se muestra el sistema trabajando a toda carga, con reactores
arrancados y en su rango de producción regular.
4.1.2 Resultados de ASPEN PLUS 7.3.
Los resultados de esta herramienta se corrieron en 2 flujos, un flujo es el sistema
de tratamiento de agua con sus entradas y salidas, y el otro es el reactor de lodos,
esto debido a las diferencias y complejidades de esta corriente, y especialmente
porque el reactor de lodos es el mayor consumidor de energía, pues necesita calor
para calentar el lodo, y también consume energía eléctrica para el suministro del
lodo al reactor mediante bombas de tornillo.
En la figura 14 se presenta la primera corriente de tratamiento de agua, con sus
flujos, dentro del esquema que representan las operaciones de tratamiento del
agua residual.
Figura 14: Corriente de tratamiento de agua y salidas de biogás.
Fuente: autor
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MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS79
Esta simulación aprovecha los datos de procesos productivos ya existentes,
específicos para generación de biocombustibles, este software ha sido
ampliamente utilizado para simulación de procesos biológicos complejos, con los
aprovechamientos energéticos subsecuentes a la producción del biocombustible o
a su materia prima (Silva Lora. E, 2010).
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Tabla 10: Balance de 100 kg de DQO procesado por digestión anaerobia.
Fuente: autor
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En esta tabla se muestran los valores de referencia en el balance de materia, con
una base de cálculo de 100 kg de DQO en condiciones anaerobias; estos valores
se toman de referencia, para realizar los balances mayores, sin adicionar
correctores de escalamiento, pues esta complejidad no está dentro de los
alcances del proyecto.
En el siguiente esquema salido de ASPEN PLUS, se evidencia la parte
complementaria del sistema de aprovechamiento energético, integrando el tren de
tratamiento de agua residual, con la integración de las líneas de lodos,
alimentadoras del reactor de lodos.
Figura 15: Esquema del sistema de aprovechamiento energético de las
aguas residuales
Fuente: autor
El reactor de lodos se integra recibiendo los lodos procedentes del desarenador,
los lodos biológicos del UASB, que van siendo purgados y los residuos de la
separación lipídica de la biomasa microalgal.
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Los resultados son procesados según la cinética definida en el modelo ADM 1,
planteado, y con las eficiencias estándar, para proceso no automatizados.
En la simulación con ASPEN PLUS se disponen en la tabla 15, con la integración
de la línea de tratamiento de biogás.
En esta tabla se muestran los valores de referencia en el balance de materia, del
reactor de lodos integrado al sistema de tratamiento UASB, sumando todas las
partes.
4.2 Biogás Generado.
El biogás proyectado en la evaluación del potencial energético de este sistema de
tratamiento de agua residual se presenta en una serie de tablas, las cuales
contienen la capacidad de la planta de generar biogás de los reactores UASB y del
reactor de lodos, con calidades estándar de biogás.
El primer resultado expuesto tiene que ver con la producción de la planta
proyectada en el capítulo 2, para la cual se toman criterios de diseño para 1 m3/s,
esto obedeciendo a la consideración de operar sistemas de tratamiento con
caudales moderados, distribuidos en el área de influencia de la población servida
en la AMB.
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Tabla 11: Resultados de la simulación con la integración de la línea de lodos.
Fuente: autor.
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En la tabla 16 se presentan los resultados de producción de biogás, relacionado
directamente con las cantidades de DQO reportadas por EMPAS, para la AMB.
Tabla 12: producción de biogás del sistema de tratamiento de 1 m3/s
Fuente: autor
Tabla 13: Totales anuales de biogás.
EL segundo resultado que se muestra es la producción de biogás, que se podría
generar si toda el agua residual de la AMB se sometiera al sistema de tratamiento
sugerido en este estudio, describiendo los probables rendimientos por día de
operación y también por año; esto para observar los volúmenes de biogás que se
podrían incorporar al uso dentro de la AMB.
En la tabla 19 se muestra la producción de biogás probable para las cantidades de
agua residual proyectada por EMPAS, para el periodo 2008 a 2015, haciendo
énfasis en la exclusiva utilización del agua residual municipal proveniente de
usuarios domésticos.
Tratamiento Aporte Unidades Caudal Biogás/día Unidades
UASB 13,17 t-DQO 1 m3/s 8428,8 m3
Laguna 1,04 t-DQO 1 m3/s 665,6 m3
Otros 1,1 t-DQO 1 m3/s 704 m3
Total 15,31 t-DQO 1 m3/s 9798,4 m3
Tratamiento Biogás/año Unidades
UASB 3076512 m3
Laguna 242944 m3
Otros 256960 m3
Total 3576416 m3
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Tabla 14: producción de biogás del sistema de tratamiento de con toda la
carga del área metropolitana
Fuente: autor
Tabla 15: Totales anuales de biogás, con carga completa
Fuente: autor
4.2.1 Balance de masa de la producción de biogás.
Para poder observar el comportamiento de la transformación de los contaminantes
del agua residual en biogás se realizó el balance de masa de la operación anual,
teniendo en cuenta la totalidad del agua generada por los usuarios domésticos en
la AMB.
En la tabla 18 se muestra la masa entrante al sistema de tratamiento, y la que sale
de él, con las condiciones de operación determinadas por la cinética planteada en
el capítulo 2, aplicando los rendimientos estándar de los 2 rectores, teniendo en
cuenta los tiempos de retención hidráulica y las temperaturas definidas para el
UASB como temperatura ambiente y para el reactor de lodos, como una
temperatura termofílica, entre 52ºC y 55ºC (Jenicek, 2012), que se logra
conduciendo parte del calor generado con la combustión del biogás, llevando el
Tratamiento Aporte Unidades Caudal Biogás/día Unidades
UASB 31,16 t-DQO 1 m3/s 19942,4 m3
Laguna 3,73 t-DQO 1 m3/s 2387,2 m3
Otros 3,89 t-DQO 1 m3/s 2489,6 m3
Total 38,78 t-DQO 1 m3/s 24819,2 m3
Tratamiento Biogás/año Unidades
UASB 7278976,00 m3
Laguna 871328,00 m3
Otros 908704,00 m3
Total 9059008,00 m3
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calor residual de la producción eléctrica hasta la masa entrante al reactor y un
intercambiador del contenedor, esto, para mejorar la producción del biogás (Water
Environment Federation., 2009).
La calidad del biogás está determinada por las condiciones de contenidos de CO2,
H2S, Amonio y humedad presentes en el gas; para llevar a cabo el balance de
masa, se consideró la densidad del biogás en 1,2 kg/m3, teniendo en cuenta un
intervalo entre 0,8 y 1,3 kg/m3 (Organización Latinoamericana de Energía
"OLADE", 2011), siendo esta la densidad sugerida, a presión atmosférica, como
trabajan la mayoría de los reactores de agua residual y de lodos es importante
tener en cuenta que el biogás se encuentra a una presión ligeramente mayor a la
atmosférica, por esto fluye hacia los espacios de menor presión.
Tabla 16: Balance de masa anual del sistema de tratamiento de agua
residual.
Fuente: autor
Masa entrante
Agua 66172795,5 t/año
DQO no transformado 9676,15 t/año
DQO transformado 11373,4 t/año
DQO fijado por microalgas 1361,45 t/año
Total DQO transformado 12734,85 t/año
Total 66195206,45 t/año
Masa saliente
Metano 3982,85 t/año
Dióxido de Carbono 6571,73 t/año
Sulfuro de hidrógeno 70,44 t/año
Amonio 232,31 t/año
DQO no digerido 9676,15 t/año
Agua residual tratada 66174672,97 t/año
Total 66195206,45 t/año
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La cantidad de biogás obtenido en el proceso de digestión anaerobia, derivada de
la actividad del reactor UASB y del Reactor de Lodos, debe ser acopiado, para ser
transformado en formas de energía de uso final, con la producción de kWh de
calor y kWh de energía eléctrica; para este efecto se tienen en cuenta la eficiencia
de la conversión del biogás
4.2.2 Balance de energía de la producción de biogás.
El balance de energía de la producción de biogás es la parte energética más
importante de la evaluación del potencial energético, esto debido a varias
condiciones; estas tienen que ver con los volúmenes de producción de biogás del
sistema de tratamiento, otra es que mucha de la tecnología requerida para
implementar este aprovechamiento energético ya se encuentra disponible, o ya ha
sido probada su efectividad en estudios pilotos, y en algunas zonas del mundo se
han desarrollado parte de estos dispositivos de producción de biogás, el
endulzamiento del mismo y todo el acondicionamiento, para hacer del biogás una
alternativa energética real.
En la tabla 21 se muestran las cantidades de biogás producidas diariamente, y las
cantidades brutas de conversión de este biogás, hacia formas de energía calórica
y de energía eléctrica, que puedan suplir el gasto energético de la planta y tomar
el excedente, para ofrecerlo a los consumidores de energía eléctrica dentro del
sistema interconectado.
Es importante aclarar que las condiciones de transformación energética, tienen
incluidas las pérdidas, generadas por la combustión en el caso de la producción
de energía eléctrica, que para el caso se toma de un 40% de eficiencia, contando
con un sistema de ciclo combinado, para aprovechamiento de altas y medias
presiones con turbinas adecuadas para la capacidad calorífica del biogás,
determinada en 4,5 kW/m3 para la calidad del biogás con características de gas
pobre (Torres, 2012), para el cálculo de la energía transformada, el calor residual y
las pérdidas energéticas dadas por la fricción en la transmisión mecánica y otras
pérdidas propias del ciclo termodinámico.
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Tabla 17: Proyección de la producción energética asociada al consumo del biogás.
Fuente: autor
De estos totales se debe sustraer la cantidad de energía en forma de calor y de
electricidad que se van a usar en la operación del sistema de tratamiento, pues la
primera beneficiada con la producción energética debe ser la planta de tratamiento
de agua residual; cabe anotar que durante el periodo de diseño del sistema se
evitó al máximo el uso de energía, en lo referente al transporte de agua residual
dentro de las unidades de tratamiento, esto se puede asumir, debido a que la
AMB, se encuentra en una altura entre los 702 y los 1100 msnm, lo cual asegura
que la conducción del agua residual puede llevarse a cabo por gravedad, y se
cuenta con una topografía que permite este flujo, con adecuaciones ingenieriles de
baja complejidad.
La planta de tratamiento de agua potable se integra en 2 formas de consumo de
energía, el consumo de calor, requerido para mantener 55ºC en el reactor de lodo
mediante intercambiadores de calor, y en el tratamiento del lodo, para realizar el
secado rápido del mismo; el otro consumo de la planta se encuentra en la energía
eléctrica, en este aspecto se tienen 4 usos generales con cargas aproximadas,
iluminación, oficinas, laboratorio y bombas de conducción de lodo; estas bombas
se consideran, debido a que los lodos se depositan en las partes profundas de las
unidades de tratamiento que las producen, y el reactor se debe tener a nivel de
piso, para disminuir la complejidad de su mantenimiento, adicionalmente a esta
condición las bombas funcionan en serie y en paralelo, con alternancia.
Biogás día 24819,2 m3
Metano 10910,0 kg met masa CH4
Energía 111686,4 kWh Total
E. electrica 44674,6 kWh Energía de uso
E. calorica 67011,8 kWh Calor residual
Producción diaria de biogás y energía
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Las bombas consideradas en este balance son bombas de 9 kW, de las cuales se
cuenta con 6 unidades, dispuestas en pares, en los 3 sectores de producción de
lodos, el desarenador, el reactor UASB y la separación lipídica de la cosecha de
microalgas; para las características reológicas del lodo se sugieren bombas de
tornillo, pues estas dosifican el lodo en caudales controlados, utilizan bajas
revoluciones por minuto y son las mejores para elevar este tipo de fluido en alturas
inferiores a los 20 metros en vertical, este fluido presenta características no
newtonianas.
En la tabla 22 se muestran los consumos energéticos en forma de calor y
electricidad requerida para el funcionamiento del sistema.
Tabla 18: Consumos energéticos del sistema de tratamiento.
Fuente: autor
Para establecer la cobertura de la energía del biogás, se debe realizar el balance
energético, cabe anotar que el presentado en la tabla 22, se define con toda la
carga de agua residual reportados por EMPAS, esto para establecer el potencial
energético del biogás, componente principal del presente estudio; y aportante
mayoritario de esta evaluación.
Tratamiento Cantidad Unidades Tratamiento Cantidad Unidades
Iluminación 458 kWh diarios
Oficinas 390 kWh diarios
Laboratorio 320 kWh diarios
Bombas 5670 kWh diarios
Total 41950 kWh diarios Total 6838 kWh diarios
Secado - Lodo 6870 kWh diarios
Consumos energéticos del sistema
Consumos caloríficos del sistema Consumos eléctricos del sistema
Reactor - Lodo 35080 kWh diarios
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Tabla 19: Balance energético
Fuente: autor
En el balance se determinan 2 excedentes correspondientes a los excedentes de
calor y electricidad, que se expresan en 25MW de calor diario y en 37,8MW de
electricidad al día; este balance se considera para una carga diaria de 57.675 kg
de DQO de carga diaria, con una cobertura del 100% del consumo energético de
la planta; los requerimientos de intercambio de calor son moderados al tener bajas
fluctuaciones de temperatura en todo el año.
Es importante anotar que en el balance no se consideran las salidas de operación
de las unidades generadoras de biogás, ni de los equipos de generación eléctrica,
factor de corrección no aplicado en este estudio, esto debido a que no se describe
un sistema de operación y mantenimiento del sistema de tratamiento de agua ni
del sistema de generación de energía final.
4.3 Lípidos de interés energético.
La producción de microalga en el sistema de aprovechamiento energético
planteado en esta evaluación se considera un aporte adicional, el cual coadyuva a
la elevación del DQO del reactor de lodos, y por otra parte se considera la
producción de lípidos, que pueden ser cosechados y luego transformados a
biodiesel, pero para el primer caso, los aportes de la biomasa microalgal ya se
consideran en el balance másico presentado en el numeral 4.1, y solo resta por
presentar la producción del segundo biocombustible, como una forma preliminar
de usar esta materia.
Producción 67011,8 kWh diarios Producción 44674,56 kWh diarios
Consumo 41950,0 kWh diarios Consumo 6838,00 kWh diarios
Excedente 25061,8 kWh diarios Excedente 37836,56 kWh diarios
Balance de Energía
Calor Electricidad
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Las factibilidades para la producción de biodiesel microalgal están todavía
cargadas de incertidumbre, debido a que las cantidades de energía necesarias
para la cosecha, concentración, separación y obtención de biodiesel están en
camino de normalizarse (Woertz, 2009), y a diferencia del biogás no cuentan con
escalamientos de depuración de aguas, con fines energéticos.
En la tabla 24 se presenta la productividad de la microalga para generar lípidos,
con respecto al DQO, mediado por la actividad fotosintética, y gobernado por las
condiciones climáticas especialmente de la radiación solar incidente en la laguna.
Tabla 20: Producción aproximada de biodiesel
Fuente: autor
EL balance de la producción de lípidos nos indica que se producen 6,86 toneladas
de lípido diario, con una concentración de 3,5 toneladas de biodiesel en el cultivo,
circunstancia que sólo se aprovecharía de poder costear la actividad productora
con los costos de inversión de la cosecha y separación de los lípidos, y modificado
por el precio del biodiesel en el mercado local.
El poder calorífico del biodiesel de algas se calcula en 41 MJ/ kg (Demirbas, Use
of algae as biofuel sources., 2010), o lo que es igual 0,28 kW, en este escenario el
potencial energético del biodiesel salido de este proceso produce 980 kW diarios
de energía.
6862,73 kg/día 224121,14 m3
3499,99 kg/día 57670 kg/día
Caudal de agua día
Balance de lipidos
Lípidos
Biodiesel DQO tratado
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4.4 Modelo matemático de producción de biogás del sistema de
aprovechamiento energético.
El modelo matemático de la producción del biocombustible principal en este
estudio está basado en la capacidad de los microorganismos de adaptarse y
digerir los compuestos metabolizables del DQO, y transformarlos en su mayoría
en biogás; el modelo tiene su base en la ecuación general que se muestra a
continuación:
Ecuación 8 𝐂𝐧𝐇𝐚𝐧𝐎𝐛𝐍𝐳𝐒𝐱+𝐇𝟐𝐎 = 𝐝𝐂𝐎𝟐 + 𝐞𝐂𝐇𝟒 + 𝐟𝐇𝟐𝐒 + 𝐠𝐍𝐇𝟑
Estas ecuaciones igualmente afectan el balance realizado en el numeral 4.1, y las
sustancias de interés se definen por la abundancia de estas en el biogás
El modelo propuesto por nuestra evaluación sugiere que la distribución de la masa
del DQO hacia el metabolismo de los microorganismos que digieren el DQO y lo
transforman en Biogás y nuevas células.
Ecuación 9 𝐦(𝐂𝐧𝐇𝐚𝐧𝐎𝐛𝐍𝐳𝐒𝐱) + 𝐦𝐇𝟐 𝐎 = 𝒎(𝑪𝑯𝟏,𝟕𝑶𝟎,𝟓 𝑵𝟎,𝟐 ) + 𝒎(𝑪𝑶𝟐 + 𝑪𝑯𝟒 +
𝑯𝟐𝑺 + 𝑵𝑯𝟑)𝑼𝑨𝑺𝑩 + 𝒎(𝑪𝑶𝟐 + 𝑪𝑯𝟒 + 𝑯𝟐𝑺 + 𝑵𝑯𝟑)𝑹 − 𝒍𝒐𝒅𝒐𝒔 + 𝑫𝑸𝑶 𝒏𝒐 𝒅𝒊𝒈𝒆𝒓𝒊𝒃𝒍𝒆
Teniendo en cuenta que el DQO se interpreta como CnHanObNzSx, y la masa que
reacciona en más de un 95%; las cantidades de materia que producen el biodiesel
de la biomasa microalgal, no se toma en cuenta, debido a su baja participación en
el total de la energía cosechada; y el modelo se basa principalmente en la
generación del biogás como el mejor productor de energía a partir del agua
residual municipal.
La ecuación 21 evidencia la transferencia del DQO, hacia los distintos dispositivos
generadores de biogás, el segundo miembro de la ecuación manifiesta la
distribución del biogás generado en las 2 unidades generadoras y la transferencia
hacia la biomasa representada en la microbiota, en el caso de la digestión
anaerobia es baja la producción de sólidos.
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MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS93
CAPITULO 5
5. Conclusiones y Recomendaciones.
5.1 Conclusiones.
EL sistema de tratamiento de agua residual con aprovechamiento energético de
biogás y biodiesel se estableció de acuerdo con los criterios de diseño de la RAS
2000, con la definición de un tratamiento preliminar, tratamiento primario, un
tratamiento secundario; La propuesta de la captación del biogás, la limpieza del
mismo y la extracción de lípidos de la cosecha de las microalgas de la laguna de
alta tasa, son las operaciones que establecen la capacidad técnica de aprovechar
estos efluentes del tratamiento y poder transformarlos en energía de uso.
El potencial de generación de biogás del sistema de tratamiento diseñado para 1
m3/s es de 9.798 m3 de biogás diario, en condiciones brutas, el potencial del
tratamiento de toda la carga contaminante de la AMB es de 24.819 m3 de biogás
diario, equivalentes a 29,78 toneladas de biogás, contando únicamente con los
aportes de origen doméstico, a carga completa y utilizando 2 procesos de
digestión anaerobia, el reactor UASB y el reactor de lodos.
Las condiciones de operación de la laguna de alta tasa se definen en un tiempo de
retención hidráulica de 48 horas, con piscinas en serie y en paralelo, con
capacidad de albergar 181.356 toneladas de agua residual al día, con una
profundidad media de 1,5 metros, y con dispositivos de separación de la biomasa
microbiana, mediante concentración y filtración del medio, para la cosecha de la
biomasa y su posterior utilización.
La potencialidad de producción de biodiesel del tratamiento de agua residual
efluente de un reactor anaerobio tipo UASB, es de 3,5 toneladas de biodiesel al
día, esto contando con las operaciones necesarias para la separación de los
lípidos y la transesterificación de los mismos; esta operación tiene una viabilidad
económica que ha sido cuestionada, pero técnicamente es factible realizar el
aprovechamiento.
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El potencial energético combinado resulta de la sumatoria de 111686 kWh de
energía total producida por el biogás con los 980 kWh de energía producidos por
el biodiesel el potencial energético total del sistema evaluado es de 112666 kWh
diarios, de los cuales el biodiesel representa únicamente el 0,87% de la energía
total generada, y el biogás el 99,13% del total del potencial energético.
La baja participación del biodiesel en el potencial energético lo hace una sustancia
de bajo interés por el costo energético y económico que acarrea su extracción; en
el escenario de la participación energética, tiene mucho más sentido industrial
agregar el alga al reactor de lodos, pues la participación en el potencial energético
está alrededor de los 11.200 kWh, mucho mayor que su contraparte lipídica.
La casi totalidad de las operaciones planteadas en esta evaluación, para el
tratamiento, depuración y endulzamiento del biogás están disponibles en el
mercado tecnológico industrial. Parte de estas opciones se encuentran como
equipos de importación, pero estas transacciones generan una dependencia
tecnológica, luego es importante desarrollar equipos de fabricación local o
regional, de costos moderados, que tengan poca dependencia tecnológica, y con
una apropiación de la tecnología de ella que se aplique eficientemente a nuestra
condición tropical y microclimática.
Colombia es un país con disponibilidad de recursos energéticos, pero no puede
sostenerlo indefinidamente, pues la tecnología limita nuestras posibilidades, el
aprovechamiento energético de los residuos líquidos puede ayudar a proveer una
parte de la necesidad energética en las ciudades, pues puede ser producida
dentro de su perímetro urbano o suburbano, esto disminuye los impactos
ambientales y económicos de una parte del suministro en gas, como muestran los
resultados.
La oportunidad de aprovechar los residuos no ha sido una costumbre en el país,
fruto de una educación deficiente frente a los recursos naturales y el medio
ambiente, la promoción de la transformación de residuos en nuevas materias
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MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS95
primas puede ayudar a establecer una nueva forma de ver nuestro entorno, y así
mejorar el estado de los recursos naturales disponibles.
Los residuos líquidos y sólidos son un problema en todas las ciudades de
Colombia, y no se encuentran soluciones evidentes ni fáciles en el corto plazo,
circunstancia que conduce a las administraciones a buscar soluciones
tecnológicas en países desarrollados, provocando otros problemas, como la
dependencia tecnológica y profundiza nuestra crisis educativa, que no soporta el
bienestar de los habitantes, pues no se genera el conocimiento suficiente, para
obtener resultados satisfactorios.
5.2 Recomendaciones.
Es necesario ampliar el conocimiento del aprovechamiento energético de las
aguas residuales municipales, pues estas sustancias poseen una variabilidad
determinada por las costumbres de consumo, especialmente en el sector
alimentario y de aseo personal.
Se hace conveniente estudiar las afectaciones microclimáticas a los reactores, y
establecer el impacto de las épocas de lluvia y sequía, pues en la infraestructura
más antigua de la AMB se presentan alcantarillados combinados, que en tiempo
de lluvia diluyen la carga de entrada a los reactores, provocando fenómenos de
lavado y pérdida de sustrato (DQO), afectando el estado de equilibrio del reactor,
muy necesario por tratarse de un reactor continuo.
La adición de los efluentes industriales es una tarea importante, pues dependiendo
de sus características estos se pueden potenciar o reducir las cantidades de
bicombustibles que puede proveer un sistema de aprovechamiento energético,
como el expuesto en este trabajo, y adicionalmente, daría nuevas ideas sobre la
optimización del funcionamiento del sistema y el desarrollo de todo su potencial.
Hace falta intensificar el uso de las herramientas de software para estos procesos
complejos, pues esta práctica puede fortalecer las decisiones sobre el uso de las
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MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS96
tecnologías de depuración de desechos y las tecnologías energéticas, basadas en
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