UNIVERSIDAD DE CRDOBAFACULTAD DE CIENCIASDepartamento de Qumica Inorgnica e Ingeniera Qumicarea de Ingeniera QumicaDIGESTIN ANAEROBIA DEL AGUARESIDUAL PROCEDENTE DELPRENSADO DE LA CSCARA DENARANJAAutores: M ngeles Martn SantosJos ngel Siles LpezJunio 200712ndice3Captulo 1. RESUMEN Y OBJETIVOS 7Captulo 2. INTRODUCCIN 102.1. Necesidad de la depuracin de las aguas residuales 102.2. La digestin anaerobia 122.2.1. Microbiologa y bioqumica de la digestin anaerobia 152.2.1.1. Etapa de hidrlisis-acidognesis 162.2.1.2. Etapa de acetognesis 172.2.1.3. Etapa de homoacetognesis 182.2.1.4. Etapa de metanognesis 182.2.2. Factores que afectan a la digestin anaerobia 202.2.2.1. Efecto del oxgeno 202.2.2.2. Efecto de la temperatura 202.2.2.3. Efecto de la agitacin 212.2.2.4. Efecto del pH 212.2.2.5. Efecto de la alcalinidad 222.2.2.6. Efecto de la acidez voltil 232.2.2.7. Nutrientes 242.2.2.8. Factores orgnicos de crecimiento 242.2.2.9. Sustancias txicas 252.2.2.10. Velocidad de carga orgnica (VCO) 262.2.2.11. Tiempo de residencia 272.2.2.12. Inmovilizacin 272.2.3. Reactores ms utilizados en la digestin anaerobia 28Captulo 3. Residuo a tratar 31Captulo 4. Materiales y mtodos 364.1 Equipo de digestin anaerobia 3644.1.1 Digestor anaerobio 374.1.2 Sistema de agitacin 384.1.3 Sistema de absorcin de dixido de carbono 384.1.4 Sistema de medida del metano 384.2 Mtodos analticos 414.2.1 pH 424.2.2 Alcalinidad 424.2.3 Acidez voltil 434.2.4 Slidos en suspensin totales, (SST) 444.2.5 Slidos en suspensin minerales, (SSM) 444.2.6 Slidos en suspensin voltiles, (SSV) 444.2.7 Demanda qumica de oxgeno, (DQO) 454.2.8 Carbono orgnico total, (COT) 464.2.9 cidos orgnicos voltiles 464.3 Arranque y puesta a punto del reactor anaerobio 484.3.1 Inoculacin del reactor 484.3.2 Activacin de la biomasa anaerobia 494.3.3 Adaptacin de la biomasa a la digestin delresiduo 52Captulo 5. RESULTADOS EXPERIMENTALES 575.1 Resultados experimentales obtenidos en el proceso dedigestin anaerobia 575.1.1 Caracterizacin del reactor 575.1.2 Resultadosexperimentalesdelaproduccindemetano en el reactor anaerobio 625.1.3 Resultadosexperimentalesdelaevolucindelcarbono orgnico en el reactor anaerobio 7055.1.4 Evolucin de la concentracin de los cidosorgnicosvoltiles(AOV)duranteladigestinanaerobia 76Captulo 6. DISCUSIN 826.1 Estudio de la estabilidad del digestor anaerobio 826.2 Biodegradabilidad del residuo determinada a travs delestudio de la produccin de metano 856.2.1 Modelocinticoaplicadoa la produccindemetano a partir del residuo procedente delprensado de la cscara de naranja 856.3 Biodegradabilidad del residuo determinada a travs de laconversin del carbono orgnico soluble 1046.3.1 Estudio cintico del consumo de carbonoorgnico soluble a partir del residuo procedentedel prensado de la cscara de naranja 1046.3.2 Estudio de la conversin del carbono orgnicosoluble presente en el residuo procedente delprensado de la cscara de naranja 1166.4 Estudiode la evolucinde loscidosorgnicosvoltilesen el digestor 1206.5. Modelizacin de la digestin anaerobia del residuo procedentedel prensado de la cscara de naranja 130Captulo 7. CONCLUSIONES 157Captulo 8. NOMENCLATURA 160Captulo 9. BIBLIOGRAFA 1666Captulo 1Resumen y Objetivos71.- RESUMEN Y OBJETIVOSEn la sociedad actual el consumo de bebidas naturales es un hbito muydifundido, siendo el zumo de naranja una de las bebidas ms demandadas. En el procesode produccinde este jugosegenera ungranvolumende cscara de naranja,que esactualmente empleada como la materia prima en la fabricacin de algunos piensos paraganado. Paraelloseprocedeal prensadodelacscarautilizandohidrxidoclcicocomo aglomerante. Las aguas residuales procedentes del prensado, aunque no segeneranengrandes volmenesy lo hacen de modo intermitente, son unresiduo muycontaminantetantopor sualtaconcentracinenmateriaorgnica, entornoa150gDQO/L, como por la elevada alcalinidad de las mismas.Debido a la elevada carga orgnica que presenta este residuo y a su procedenciaagroalimentaria, pareceindicadoplantearladigestinanaerobiacomoel tratamientoms adecuado para la eliminacin de la materia orgnica.El objetivo principal de este trabajo es evaluar la biodegradabilidad anaerobia deeste residuo.El equipoexperimental utilizadoconstadeunreactor discontinuodemezclacompleta, deunlitrodecapacidad, enel quesehanrealizadocargascrecientesdemateriaorgnica, principal fuentedecontaminacinenel residuo. Losexperimentoscomprenden cargas en un rango de 1 a 5 g DQO.Las distintas cargas se hanrealizadocontrolandola estabilidaddel reactorduranteel proceso, loquehapermitido, juntoconel seguimientoanalticodelasvariables, extraer conclusiones acerca de la posible biodegradacin del residuo.Una vez conocida la biodegradabilidad anaerobia de las aguas residuales objetode estudio, parece interesante profundizar en el mecanismo de las etapas que ladigestin anaerobia comprende. Con la ayuda de diversos modelos matemticos, se hasimulado el comportamiento de las concentraciones de la materia orgnica, los cidosorgnicos voltiles yel metano durante el proceso de depuracin. Los resultadospredichos por los modelos se han cotejado con los experimentales y de la comparacin8entre ambos se concluye que los tres mecanismos propuestos reproducen elcomportamiento de la digestin anaerobia, si bien el tercer modelo arroja msinformacin que los dems. Con el tercer modelo los porcentajes de datosexperimentales que, con un error inferior al 20%, se predicen alcanza valores de 47%para la materia orgnica, 59% para el metanoy 37% para el cidoacticoy para losrestantes cidos estudiados.9Captulo 2Introduccin102.- INTRODUCCIN2.1.- NECESIDADDE LA DEPURACIN DE LAS AGUASRESIDUALESEl agua en el planeta genera una percepcin de abundancia, sin embargo, segn laUNESCO, el 97,5%envolumenessalada, el 2,24%esaguadulcecongeladaenloscasquetes polares, glaciares y aguas subterrneas profundas, y slo el 0,26% es agua dulceaccesible para el consumo. No obstante, este pequeo porcentaje no es aprovechable paraalgunos usos por su grado de contaminacin.La problemtica de la contaminacin del medio hdrico, a pesar de existir desde laantigedad, haalcanzadounos lmites mximos enlaactualidad, poniendoengravepeligro el futuro de la humanidad.Este problema se ha visto agravado en los ltimos aos debido fundamentalmenteal gran crecimiento industrial y a la evolucin demogrfica de la poblacin mundial, ascomopor laconcentracin, tantoindustrial comohumana, enreas delimitadas (enEspaa ms del 80% de la poblacin es urbana).Hasta hace relativamente poco tiempo, los vertidos producidos por losasentamientos de poblacin y por la escasa industria existente podan ser asimilados porlos cauces receptores, de tal forma que a travs de los procesos de dilucin yautodepuracin natural de las aguas stas volvan a adquirir unas caractersticassuficientementeaceptablesparapoder ser reutilizadaspor otrosposiblesusuariosdelcauce pblico.En la actualidad, losvertidosproducidossonde talimportancia que enmuchos casos la capacidad de autodepuracin del cauce no es suficiente, deteriorndosede tal forma que imposibilita la reutilizacin posterior del agua.Entre los efectos nocivos que la contaminacin del medio hdrico produce puedendestacarse los siguientes:- Reduccin de las posibilidades de su empleo industrial, agropecuario o11recreativo posterior como consecuencia de la accin txica ycarcinognica de muchos de los compuestos presentes enlas aguasresiduales.- Alteracin en los equilibrios fsicos, qumicos y biolgicos existentes enel ecosistemaacutico, as comoenlaestticadel mismo. Sonmuyfrecuentes los procesos de eutrofizacin de las aguas continentales y lageneracin de malos olores.- Propagacin de enfermedades transmisibles por va hdrica. Esimportante tener en cuenta que en los pases del tercer mundo el 80% delas enfermedades y el 30%de los fallecimientos se producen porenfermedades transmitidas por el agua, al consumir la misma de formainadecuadamente tratada.Para la O.M.S. el nivel de salud queda fijado por el grado de armona existenteentre el hombre y el medio ambiente. Define la contaminacin de las aguas como unode los factores que rompe dicha armona y establece la necesidad de luchar contra ellapara recuperar el equilibrio necesario para la vida saludable.La importancia del agua en la vida queda reflejada tambin en la Carta Europeadel Agua delConsejode Ministrosde Estrasburgode 1968,dondeseestablecenunaserie de principios fundamentales que posteriormente se van desarrollar en la normativamedioambiental delos pases miembros delaUninEuropea. As por ejemplo, laDirectiva 2000/60 de 23 de Octubre de 2000, regula el marco comunitario de actuacinen el mbito de la poltica de aguas y la Directiva 91/271 regula el tratamiento de lasaguas residuales urbanas.Lanorma principalenEspaa enmateria de aguascontinentaleseslaLey deAguas 29/1985, de 2 de Agosto (modificada por la Ley 46/1999, de 13 de Diciembre, ypor el Real Decreto Legislativo 1/2001, de 20 de Julio). Existen adems varios RealesDecretosrelativosal tratamientodelasaguasresidualesurbanasyalaregulacinycontrol de vertidos (Real Decreto Ley 11/1995, Real Decreto 484/1995 ymodificaciones posteriores).12Ante las nuevas exigencias legales existentes, el tratamiento de aguas residualeses hoy da un problema de gran importancia para las sociedades industrializadas, de modoque la investigacin, desarrollo e innovacin de tratamientos ptimos para su depuracinse puede calificar como de mxima prioridad.2.2.- LA DIGESTIN ANAEROBIAExisten diversas alternativas para el tratamiento de las aguas residuales, de modoque dependiendodel tipode agua, requisitos finales yaspectos econmicos, unostratamientos son ms adecuados que otros.Losprocesosbiolgicosson,engeneral,fundamentalespara ladepuracindeaguasresidualescarcterorgnico, siendoladigestinanaerobiaunodelosprocesosms utilizados para el tratamiento de aguas residuales de elevada carga.Ladigestinanaerobiaesunprocesobiolgicoquetranscurreenausenciadeoxgeno, transformando la mayor parte de la materia orgnica en una serie de productosgaseosos (CH4 y CO2 principalmente) y una corriente lquida donde se encuentran loscomponentes ms difciles de degradar, la mayor parte del nitrgeno y fsforo as comodiversos componentes minerales.La composicin o riqueza del biogs producido depende del material digerido ydelfuncionamientodelproceso.Enla tabla 2.2.1.semuestranlosvaloresmediosdecomposicin del mismo en funcin del sustrato utilizado.13Tabla 2.2.1. Componentes del biogs en funcin de sustrato utilizado.ComponenteResiduosAgrcolasLodos dedepuradoraResiduosindustrialesGases deVertederoMetano 50-80% 50-80% 50-70% 45-65%Dixido de carbono 30-50% 30-50% 30-50% 34-55%Agua Saturado Saturado Saturado SaturadoHidrgeno 0-2% 0-5% 0-2% 0-1%Sulfuro de Hidrgeno 100-7000 ppm 0-1% 0-8% 0,5-100 ppmAmonio Trazas Trazas Trazas TrazasMonxido de Carbono 0-1% 0-1% 0-1% TrazasNitrgeno 0-1% 0-3% 0-1% 0-20%Oxgeno 0-1% 0-1% 0-1% 0-5%Compuestos orgnicos Trazas Trazas Trazas5 ppm (terpenos,steres, ...)La digestin anaerobia presenta una serie de ventajas e inconvenientes respectode los dems procesos biolgicos de depuracin que otorgan, en principio, una mayorventaja a la depuracin anaerobia para el tratamiento de aguas residuales industriales.Entre otras, se pueden destacar:1.- Baja produccinde lodos biolgicos yuna mayor estabilizacinde losmismos, respecto a los procesos aerobios, lo que supone un ahorro considerable en losprocesos de manejo y evacuacin del exceso de lodo (purga). Ello se debe a que slo el5% de la DQO consumida se transforma en biomasa.2.- Bajo requerimiento de nutrientes necesarios para el adecuado desarrollo delproceso, necesitndose una proporcin C:N:P para un proceso aerobio de 100:5:1 y parauno anaerobio 100:0.5:0.1 (Ying, 1988).3.- Los microorganismos anaerobios no requieren la presencia de oxgenodisueltoenel mediopararealizarsusfuncionesvitales, portantonoesnecesarialaaireacin, lo que supone ahorro de coste de inmovilizado y de consumo energtico.4.- Velocidaddecargaorgnicamuyelevada. Enel tratamientoanaerobiolavelocidadde carga orgnica alcanza valores de 5-10kgDQO/m3d, si bieneneltratamiento aerobio es de 1 kg/m3d por limitacin en la transferencia de oxgeno.145.- Conjugacin de una alta eficacia como sistema depurativo, con un atractivoenfoqueeconmicopuestoqueseproducemetanocomoproductoprincipal. Dichocompuesto presenta un elevado poder calorfico que oscila en torno a 8010 kcal/m3encondiciones normales de presin y temperatura, lo que permite su uso comocombustible o para la generacin de electricidad. Este hecho permite abaratar los costesde depuracin del vertido de un modo considerable.Peroladigestinanaerobiatambinpresentaunaseriedeinconvenientesquehan de tenerse encuenta para el correcto desarrollo del proceso de depuracin. Entreellos destacan los siguientes:1.- Desprendimiento de olores desagradables como consecuencia de laformacin de compuestos tales como cido sulfhdrico, tioles o aminas.2.- Alta sensibilidad a la presencia de oxgeno de modo que a bajasconcentraciones se inhibe totalmente el proceso.3.- Necesidad de operar a temperatura elevada (35 C) lo que implica unincremento del coste energtico y por tanto econmico.4.- Crecimientomuy lentodealgunaspoblacionesbacterianas, loqueimplicaquelapuestaenmarchadel procesoseamuylenta, ydifcil sedimentabilidaddelabiomasa.5.- Cintica lenta en la eliminacin de residuos slidos, requirindose elevadostiempos de residencia.A pesar de ser un mecanismo de depuracin que presenta inconvenientes comolos descritos anteriormente, muchas aguas residuales puedenser tratadas de formaanaerobia, habindoseaplicadoelprocesoaunaampliagamadeaguasindustriales,agrcolas y domsticas, ya que su adaptabilidad a condiciones de operacinintermitentes (o de temporada) y a sobrecargas orgnicas, la posibilidad de depuracin adiferentes temperaturas, su bajo rendimiento en lodos y su capacidad para producir gascombustible, hacen atractiva la aplicacin de este tipo de procesos, incluso en el caso de15industrias de tamao relativamente pequeo.2.2.1.- Microbiologa y bioqumica de la digestin anaerobiaLa digestin anaerobia se caracteriza por un conjunto de reacciones asociadas almetabolismo de numerosos microorganismos agregados, que son intermediariosnecesarios para transformar la materia orgnica compleja en sustratos simplesfermentables por las bacterias metanognicas.Desde el puntode vista bioqumico, Zeikus (1980) establece cuatroetapasmetablicas bien diferenciadas:- Etapa de hidrlisis-acidognesis.- Etapa de acetognesis.- Etapa de homoacetognesis.- Etapa de metanognesis.El establecimiento de estas etapas corresponde a la actividad especfica de losgrupos fundamentales de microorganismos que intervienen en el proceso:- Bacterias hidrolticas y acidognicas.- Bacterias acetognicas y homoacetognicas.- Bacterias metanognicas.Enla figura 2.2.1.1. se esquematizanlas etapas metablicas, anteriormentecitadas, para la formacin de metano.16BacteriasHidrolticasBacteriasAcidognicasBacteriasAcetognicasBacteriasMetanognicasPROTENAS CARBOHIDRATOS LPIDOSAMINOCIDOS AZCARESPRODUCTOS INTERMEDIOS(propinico, butrico,...)ACTICOH2, CO2CIDOSGRASOSCH4, CO2HidrlisisAcidognesisAcetognesisMetanognesisBacterias Homoacetognicas28% 72%MetanobacteriasHidrogenfilasTd=6 horasMetanobacteriasAcetoclsticasTd=2-3dasTd=1-4dasTd= 30minutosFigura 2.2.1.1. Etapas metablicas para la formacin de metano (Td = tiempo de duplicacinde los diversos tipos de bacterias) (Gujer & Zehnder, 1983).2.2.1.1.- Etapa de Hidrlisis-acidognesisEn una primera fase de la digestin anaerobia los grandes polmeros orgnicos(glcidos, lpidos y protenas) son despolimerizados por la accin de enzimasextracelulareshidrolticas(celulasas, hemicelulasas, amilasas, lipasasoproteasas). Acontinuacin, los hidrolizados son fermentados, por accin de las bacteriasacidognicas, a cidos orgnicos ycidos grasos voltiles de bajopesomolecular(actico, propinico, butrico, lctico), compuestos neutros (etanol, metanol), amoniaco,hidrgeno y dixido de carbono.Las bacterias presentes en esta fase dependen del tipo de sustrato y, a modo deejemplo, se pueden citar bacterias de los gneros Bacillus, Pseudomonas y Micrococcus(Nhle, 1987). Esmuydifcilestablecerunaseparacinentrebacteriashidrolticasyacidognicas, ya que muchos microorganismos son capaces de realizar ambos procesos,pero se sabe que el nmero de microorganismos hidrolticos es muypequeo en17relacin con el nmero de microorganismos acidognicos existentes en los lodosanaerobios.2.2.1.2.- Etapa de acetognesisEsta etapa la lleva a cabo un grupo bacteriano, no diferenciadotaxonmicamente, caracterizado por su fisiologa como bacterias quimiohetertrofas nofermentativas, reductoras obligadas de protones, que transforman por oxidacinsustratos no fermentables, algunos compuestos aromticos, alcoholes y cidos obtenidosen la etapa anterior, dando lugar a los compuestos intermedios ms importantes en ladigestin anaerobia: cido actico, hidrgeno y dixido de carbono.Las reacciones ms importantes que tienen lugar en esta etapason las siguientes(Thauer, 1979, en Nhle, 1987):CH3-CHOH-COO-+ 2 H2O CH3-COO-+ HCO3-+ H++ 2 H2(Lactato) (Acetato) AG = -4.2 kJCH3-CH2-CH2-COO-+ 2 H2O 2 CH3-COO-+ H++ 2H2(Butirato) AG = +48 kJCH3-CH2-COO-+ 3 H2O CH3-COO-+ HCO3-+ H++ 3 H2(Propionato) AG = +76.1kJCH3-CH2OH + H2O CH3-COO-+ H++ 2 H2(Alcohol etlico) AG = +9.6 kJEstas reacciones son imposibles desde un punto de vista termodinmico, ya quelas variaciones de la energa libre de estos compuestos son endergnicas en el sentido deformacindeacetato, salvoqueseeliminecontinuamentehidrgenouotrodelosproductos dereaccin. El metabolismoacetognicosecaracterizapor unaabsolutadependencia de la eliminacin de hidrgeno por otras bacterias (bacteriasmetanognicas y sulfatorreductoras), de modo que una reaccin que requiere energa, setransforma en un proceso con liberacin de energa por acoplamiento a la18metanognesis (Zehnder, 1983).Este ejemplo, que podra extenderse a otras etapas del metabolismo anaerobio,pone de manifiesto la importancia decisiva que tiene la formacin de agregadosbacterianosparatransferenciadelosdistintossustratosyportantoparael adecuadotranscurso de la digestin anaerobia.Entre las bacterias que intervienen en esta etapa se pueden citar los siguientesgneros: Syntrophobacter, Syntrophomonas y Desulfovibrio (Daniels, 1984).2.2.1.3.- Etapa de HomoacetognesisLos microorganismos que intervienen en la fase de homoacetognesis secaracterizan por la formacin de acetato como nico metabolito a partir de lafermentacin de azcares y a partir de compuestos monocarbonados como el formiato(HCOO-) o la mezcla gaseosa H2-CO2 (Zeikus, 1981).Los microorganismos homoacetognicos ms comunes que intervienen en estafase son Acetobacterium wodii, Clostridium aceticum, Butybacterium methylotrophium(Nhle, 1987).2.2.1.4.- Etapa de MetanognesisLa produccin de metano como producto final de la digestin anaerobia se llevaacabopor ungruponicoyaltamenteespecializadodeorganismos: las bacteriasmetanognicas, que son anaerobias estrictas. Son los organismos clave en la digestinanaerobia ya que se desarrollan ms lentamente y son ms sensibles a las variacionesdel medio que el resto de microorganismos que intervienen en el proceso.Las bacterias metanognicas llevan a cabo la formacin de metanoa partir desustratos monocarbonados o con dos tomos de carbono unidos por enlace covalente:acetato, hidrgeno-dixido de carbono, formiato, metanol y algunas metilaminas.Existen dos grupos fundamentales de bacterias metanognicas: las19metanognicas acetoclsticas y las hidrogenfilas o utilizadoras de hidrgeno.En el caso de las bacterias metanognicas acetoclsticas, la formacin demetano implica la rotura de la molcula de acetato y la transformacin del grupo metilo(CH3)enmetano(CH4)ydel grupocarboxiloendixidodecarbono(CO2). Delasespecies conocidas de bacterias metanognicas tan slo un bacilo y una cepa termoflicadel gnero Methanosarcina utilizan estrictamente actico como sustrato.Enel casode las bacterias metanognicas hidrogenfilas, el procesopuedeconsiderarse como una respiracin anaerobia en la que el CO2acta como aceptor finalde electrones, convirtindolo en CH4, siendo el donador de electrones en este proceso elhidrgeno.La formacinde metano a partir de CO2 e H2tiene un doble sentido en elproceso de digestin anaerobia, por un lado producir metano y por otro eliminar el H2gaseoso, favoreciendo as la etapa de acetognesis.La clasificacin de bacterias metanognicas hidrogenfilas realizada porStafford et al (1980) se compone de seis gneros principales: Methanobacterium,Methanosarcina, Methanococcus, Methanobacillus, Methanotrix y Methanospirillum.El acetatoesel precursormsabundanteenlametanognesis, demodoqueaproximadamente el 70% del metano producido en digestores anaerobios proviene delacetato, mientras que la mayor parte del 30% restante proviene del dixido de carbono ehidrgeno. Estaproporcin(70:30)varaconlanaturalezadel influentequeseesttratando, perosiempresonnecesariaslasdosreaccionesenunprocesodedigestinestable.Cuandoenlosdigestoresanaerobioshay presenciadesulfatosesfrecuentelapresencia de bacterias sulfatorreductoras que pueden utilizar el actico para sudesarrollo. Se produce entonces una competencia con lasbacterias metanognicas, yaque de las dos reacciones la ms favorecida termodinmicamente es la producida por lasbacterias sulfatorreductoras, como se observa en las siguientes reacciones qumicas:Sulfatorreductoras: CH3COO-+ SO4=+ H+ SH2 + 2HCO3-AG= -47.08 kJ/mol20Metanognicas: CH3COO-+ H2O CH4 + HCO3-AG= +28.33 kJ/molPor otrolado, las sulfatorreductoras puedenreducir los sulfatos a sulfuros,utilizando como donador de electrones el hidrgeno producido por las bacteriasacetognicas, por lo que ste no puede ser utilizado por las bacterias metanognicas. Portantolatransferenciadehidrgenointerespecies es unpuntoclaveparamejorar ycontrolar las fermentaciones industriales desde el punto de vista prctico.2.2.2.- Factores que afectan a la digestin anaerobiaCon objeto de conseguir simultneamente elevadas velocidades de crecimientocelular yelevadas actividades, sedebenmantener unas condiciones ptimas delasdistintas variables fsico-qumicas que intervienen en el proceso de digestin anaerobia.2.2.2.1.- Efecto del oxgenoLaausenciadeoxgenoes unacondicinindispensableparalaexistenciaycrecimiento de las bacterias anaerobias, especialmente de las bacterias metanognicas.Sonlosorganismosanaerobiosmsestrictosyaque0,01mg/Ldeoxgenodisueltoinhibe totalmente sucrecimientoencultivopuro(Wolfe,1971).Sinembargocuandocrecen en cultivos mixtos presentan una mayor tolerancia al oxgeno, atribuibleprincipalmente al consumo de ste por bacterias facultativas, las cuales crean unmicroambiente anaerobio (Kato et al, 1993).2.2.2.2.- Efecto de la temperaturaLa temperatura ejerce gran influencia sobre la eficacia de la digestin anaerobia.Afectaalaactividaddelosmicroorganismos, enespecial alosmetanognicos, alasolubilidad del carbnico y en consecuencia al pH. Adems, la temperatura determina lacantidadde energa requerida por el sistema ypor tantoinfluye enlos costes dedepuracin.Nhle (1987) estudi la cantidad de biogs formado en un digestor anaerobio de21fangos respecto a la temperatura del procesoy observ dos mximos, uno en la zonamesoflica de 33 a 37 C, y otro en la zona termfila a aproximadamente 55 C. Estasdos zonas de temperatura son ptimas para el desarrollo de la digestin anaerobia.En la prctica, la temperatura de 35 C suele tomarse como valor de referenciaparael diseoyoperacindereactores, sinqueestosuponga, quelosreactoresnopuedan trabajar a temperaturas ms bajas o altas en determinadas circunstancias.2.2.2.3.- Efecto de la agitacinExisten opiniones contradictorias, desde el comienzo de la utilizacin deltratamiento anaerobio, sobre la necesidad de agitar o no el contenido del digestor. Comolas bacterias productoras y consumidoras de hidrgeno dependen estequiomtricamenteunas de otras, hay autores (Seyfried & Sixt, 1981) que opinan que una rotura de estacomunidadporunaagitacindemasiadofuertepuedeocasionarunaperturbacindelproceso. Hay otros autores (Stafford, 1982) que hacen constar que la produccin de gases independiente de la intensidad de agitacin del digestor. Nhle (1987) seala que esnecesario como mnimo una turbulencia que garantice el encuentro de losmicroorganismos con las sustancias a degradary en definitiva la interaccin bacteria-sustrato.Enlaprcticasesueleemplear unaagitacinsuaveconel findeconseguirhomogeneizar el medio para alcanzar valores uniformes de concentracin ytemperatura, y para facilitar los procesos de transferencia de materia entremicroorganismos y sustrato.2.2.2.4.- Efecto del pHEl pHdependedelasreaccionescido-base. Dentrodel procesodedigestinanaerobia ocurren multitud de estas reacciones, por lo tanto, el pH es un ndice globalde lo que ocurre en el digestor (Hernndez, 1992).Los diferentes grupos bacterianos que intervienen en el proceso presentan unosnivelesdeactividadptimosapHprximo. As, losorganismoshidrolticosoperan22adecuadamenteentre7,2-7,4, losacidognicosentornoa6ylosacetognicosentre7,0-7,2. Lamximaactividadmetablicadelasbacteriasmetanognicassedaparavalores de pH comprendidos entre 6,5 y 7,5 mientras que se inhiben a valores inferioresa 6 o superiores a 8.En la prctica, los digestores anaerobios que presentan un buen funcionamientosuelen trabajar a pH neutro, siendo el intervalo de pH ptimo 6,8-7,4 (Ramalho,1991).No obstante, algunos autores sostienen que el pHdel sustrato interior deldigestor es un factor que no puede considerarse aisladamente, afirmando que el fallo ola buena marcha de la digestin se define segn la relacin entre el pH, alcalinidad ypresin parcial de dixido de carbono en el digestor, tal como se muestra en la figura2.2.2.4.1.Figura 2.2.2.4.1. Influencia del pH, Alcalinidad y concentracin de CO2en la digestin anaerobia.2.2.2.5.- Efecto de la alcalinidadLa alcalinidad es una medida de la capacidad amortiguadora de un digestor antelos posibles cambios de pH que tengan lugar en el proceso (Hashimoto et al, 1980). Esta23capacidad reguladora la constituyen el bicarbonato, carbonato, amoniaco y loshidrxidosdealgunosmetalesdel medio, as comoloscidosorgnicosylassalescidas. Su formacin se produce al reaccionar el CO2, procedente de la degradacin dela materia orgnica, con los cationes del medio y con el amoniaco originado durante elproceso de desaminacin de los compuestos nitrogenados, dando lugar a carbonatos ybicarbonatos, principalmente amoniacales.La concentracin de bicarbonatos debe ser superior al 60% de la alcalinidad totalpara controlar las variaciones de concentracin de cidos grasos voltiles, es decir pararegular el equilibriometablicoentrelaproduccinyel consumodedichoscidosdurante el transcurso de la digestin anaerobia.En la prctica se considera que cuando los valores de alcalinidad se encuentranentre1,0y5,0g/LdeCaCO3, el sistemaproporcionaunacapacidadamortiguadoraadecuada para el transcurso de la digestin anaerobia.2.2.2.6.- Efecto de la acidez voltilLaconcentracindecidosvoltiles, productodelafermentacin, tieneunagran importancia en el proceso de la digestin pues puede llegar a acidificar el fangoprovocando el fallo del proceso. Los valores ptimos de acidez voltil estncomprendidosentre50y500mg/Lexpresadoscomocidoactico, siendounvalorextremo 2000 mg/L.Un factor indicativo de la marcha de la digestin es la relacin cidos voltiles /AlcalinidadTotal, entendindosepor alcalinidadtotal lasumadelaalcalinidaddelbicarbonato (concentracin) y la concentracin de cidos grasos voltiles. Cuando estarelacinesinferiora0.1lamarchadel digestoresperfecta, mientrasquecuandosesobrepasa el valor de 0.3-0.4, segn el Manual Prctico de la WPCF (1967), se esperaunaacidificacindeladigestin. Elaumentodelaconcentracindecidosvoltilespuede venir producido por una sobrecarga de alimentacin o por una inhibicin de lasbacterias metanognicas.242.2.2.7.- NutrientesUna de las ventajas inherentes al proceso de digestin anaerobia es la de su bajanecesidad de nutrientes, derivada de la pequea velocidad de crecimiento de losmicroorganismos que intervienen en el proceso (el coeficiente de produccin celular porunidad de sustrato utilizado es de 0,04-0,08 g clulas / g de DQO eliminada).Los principales nutrientes necesarios para el crecimiento son el carbono,nitrgenoy fsforo, existiendo diferentes opiniones sobre cules son lasproporcionesadecuadas de estos tres elementos, ya que depende del tipo microorganismo, delsustrato que se degrade, del tiempo de retencin de slidos (TRS) y de la velocidad decarga orgnica (VCO), entre otros. As, segn Ying (1988), la relacin C:N:P debe ser100:0.5:0.1, mientrasqueFiestas(1983) citaquelarelacinDQO:N:Padecuadaes100:2.5:0.5.Adems es necesario el aporte de algunos metales como Fe (2 nM),Ni (100nM), Co(10nM), Mo(10nM), Mn, Zn, Cu, Se, W, NayKyaquesonestimuladores del proceso anaerobio (Stronach, 1986), Ca, Mg y celobiosa quefavorecen la agregacin bacteriana (Gelhaye et al., 1993), y Sulfuro que es fundamentalpara buen crecimiento de las bacterias metanognicas.2.2.2.8.- Factores orgnicos de crecimientoLosmicronutrientesorgnicosqueserequierenenladigestinanaerobianoestn bien definidos, pero el buen funcionamiento de un digestor anaerobio conlleva elrequerimiento de los mismos.Entre otros se consideran micronutrientes orgnicos fundamentales lossiguientes: tiamina, vitaminaB12, rivoflavina, hemoglobina, benzimidazol, prolina, yextractodelevaduracomofuente orgnicacompleta, tripticasa, coenzimaM, Factor420, acetato y cido 2-metil butrico.Pero el relativamente elevado coste de la mayora de estos micronutrientes limitala suplementacinenla prctica para digestores industriales, comoocurre conlas25formas puras de rivoflavina y vitamina B12. No obstante, deberan definirse las curvasde respuesta a la estimulacin para las trazas orgnicas mencionadas.2.2.2.9.- Sustancias txicasLa inhibicin de los procesos de digestin anaerobia puede ser producida pordiferentessustanciastxicaspresentesenlaalimentacinopor ser productosdelaactividad metablica de las propias bacterias presentes en el digestor.Entre estas sustancias se encuentran los metales alcalinos y alcalinotrreos (latolerancia es relativamente importante como se observa en la tabla 2.2.2.9.1.), sulfuros,cianuro, amoniacoyamonio, metales pesados, molculas orgnicas del tipodelospolifenoles, derivados de o-hemicelulosas, etc.Tabla 2.2.2.9.1. Concentraciones de estimulacin e inhibicin de cationes metlicos ligerosa.CatinEstimulacin(mg/L)Inhibicin moderada(mg/L)Inhibicin fuerte(mg/L)Sodio 100-200 3500-5500 8000Potasio 200-400 2500-4500 12000Calcio 100-200 2500-4500 8000Magnesio 75-150 1000-1500 3000aAdaptacin de McCarty (1964).El incianuroes txicoaconcentraciones de1mg/L, aunquelas bacteriaspueden llegar a aclimatarse a niveles mayores. En cuanto al amoniaco y al amonio el pHjuega unpapelclaveenelequilibriode disociacin,de modoquea pH8esposiblealcanzar niveles de 4 g/L de amonio.Losmetalespesadossontxicosparalasbacteriasmetanognicas, si bienlapresencia de H2S (como consecuencia de la actividad de las bacteriassulfatorreductoras) contribuye a la disminucin de los metales en disolucin, ya que dalugar a precipitados de sulfuros metlicos. En la tabla 2.2.2.9.2. se muestra laconcentracin soluble de metales pesados que provocan una inhibicin del 50% de losmicroorganismos en los digestores anaerobios.26Tabla 2.2.2.9.2. Concentracin soluble de metales pesados que provocan unainhibicin del 50% en digestores anaerobiosa.CatinConcentracin(mg/L)Fe+21 a 10Zn+210-4Cd+210-7Cu+10-12Cu+210-16aAdaptacin de Mosey (1976).Por otro lado los compuestos orgnicos clorados que existen en algunospesticidas (CHCl3, CCl4, etc.) y que pueden acompaar al influente residual, son txicosincluso a muy bajas concentraciones, como se observa en la tabla 2.2.2.9.3.Tabla 2.2.2.9.3. Inhibicin relativa de compuestos orgnicos para los procesos anaerobios.ComponenteConcentracincausante del 50% deinhibicin, mMComponenteConcentracincausante del 50% deinhibicin, mMcido 2-Cloropropionico 8,00 1-Cloropropeno 0,10Vinil acetato 8,00 Nitrobenceno 0,10Acetaldehdo 10,00 Acroleina 0,20Etil acetato 11,00 1-Cloropropano 1,90cido acrlico 12,00 Formaldehido 2,40Catecol 24,00 cido Laurico 2,60Fenol 26,00 Etil benceno 3,20Anilina 26,00 Acrilonitrilo 4,00Resorcinol 29,00 3-Cloro-1, 2-propanodiol 6,00Propanal 90,00 Crotonaldehido 6,502.2.2.10.- Velocidad de carga orgnica (VCO)Lavelocidaddecargaorgnica(VCO)indicalacantidadde materiaorgnicapor unidad de volumen que se introduce diariamente en el digestor. ste es uno de losparmetros quehadecontrolarseenunprocesoanaerobioyaquecuandoaumenta27considerablemente, seproduceunaacumulacindecidosvoltilesenel medioqueinhibe la actividad de las bacterias metanognicas y paraliza el proceso de depuracin.2.2.2.11.- Tiempo de residenciaEn todo proceso biolgico se controlan dos tiempos de residencia: el tiempo deretencin de slidos o edad del lodo (TRS) y el tiempo de retencin hidrulico (TRH).El TRS indica la permanencia de biomasa en el digestor y se define como:Da Efluente el en SlidosDigestor el en Suspensin en SlidosTRS =El TRH indica el tiempo de permanencia de un agua residual en un digestor paraque toda la materia orgnica se transforme en biogs. Depende del tipo y caractersticasdel agua que se trate y de las condiciones de operacin, estando definido por la siguienteecuacin (Couplet & Albagnac, 1978):Da Efluente de VolumenDigestor del VolumenTRH =El tiempo de retencin hidrulico (TRH) es una variable muy importante en elproceso anaerobio que depende fundamentalmente de la temperatura y delprocedimientodedigestinempleado. Entrminosglobalespuedeafirmarsequealaumentar el tiempo de retencin se consigue una mejor digestin de la materia orgnica,pero se precisa un mayor volumen de digestor y por tanto el coste es mayor.2.2.2.12.- InmovilizacinEntre las caractersticas ms destacadas de la digestinanaerobia resalta lapequea velocidad de crecimiento que experimentan los microorganismos anaerobios.Por ello se han desarrollado mtodos de inmovilizacin que permiten retener la biomasadentro del biorreactor e impedir su prdida en los efluentes del proceso.28La inmovilizacin consiste fundamentalmente en la agregacin de losmicroorganismosentres oensuconfinamientoouninaunsoporteslido(Scott,1993).Sehanestudiadomultituddematerialesdesoporte, entrelosquedestacanlabentonita, sepiolita y diversos materiales plsticos, existiendo consenso sobre el efectobeneficioso de la rugosidad y la porosidad en la inmovilizacin de los microorganismossobre dichos materiales (Murray &Van der Berg, 1981; Huysman et al, 1983;Maestrojuan & Fiestas, 1988; Borja, 1992).Los mecanismos deunindelas bacterias alasuperficiedel soportenoseconocen bien pero se han realizado numerosos estudios que indican que la presencia deprotenas y polisacridos en la superficie bacteriana, as como la presencia de cationesenelmedio, favorecensuadhesinadeterminadossoportes. Unadelasteorasmsaceptadas al respecto es la teora DLVO, segn la cual predominan las fuerzas de VanDer Waals en la atraccin bacteria-soporte.2.2.3.- Reactores ms utilizados en la digestin anaerobiaLaclasificacinde losdistintosreactoresutilizadosaescala industrialpara ladigestin anaerobia de aguas residuales, se realiza en funcin del tipo de crecimiento delosmicroorganismosqueintervienenenel proceso. Enestesentidoseestableceunaclasificacin en tres grupos:- Sistemas enlos queel crecimientotiene lugar fundamentalmente ensuspensin, dando lugar a la formacin de flculos.- Sistemasenlosqueelcrecimientotienelugarprincipalmentesobreunsoporte.- Sistemas mixtos en losque seproduce crecimiento tanto en suspensincomo sobre un medio de soporte.En la tabla 2.2.3.1. se observa un cuadro comparativo de los reactores29anaerobios utilizados frecuentemente a escala industrial segn Nebot (1992).Tabla 2.2.3.1. Cuadro comparativo de los diferentes tipos de reactores (Nebot, 1992).TIPO DECRECIMIENTOTIPO DEREACTORSISTEMA DERETENCIN DEBIOMASATIPO DE FLUJOREACTORDISCONTINUONINGUNOREACTORDISCONTINUOMEZCLA COMPLETAREACTOR TUBULARNINGUNOFLUJO PISTNREACTOR DECONTACTOEXTERNO (DECANTADOR)MEZCLA COMPLETA YRECIRCULACINSUSPENDIDOREACTOR UASB INTERNO (SEPARADOR) ASCENDENTEFILTRO ANAEROBIOASCENDENTEASCENDENTE YRECIRCULACINFILTRO ANAEROBIODESCENDENTEDESCENDENTE YRECIRCULACINCONTACTORBIOLGICO ROTATIVOSOPORTE INTERNO FIJOSIN SEPARADORHORIZONTALREACTOR DE LECHOEXPANDIDOSOBRE SOPORTEREACTOR DE LECHOFLUIDIZADOSOPORTE MOVIL YSEPARADOR INTERNOASCENDENTE YRECIRCULACINREACTOR HBRIDOARRIBA: SUSPENDIDOABAJO: SOPORTE FIJOASCENDENTESUSPENDIDO Y SOBRESOPORTECASBER SEPARADOR EXTERNOASCENDENTE YRECIRCULACIN30Captulo 3Residuo a tratar313.- RESIDUO A TRATARSegnlaFAOlaproduccindenaranjasenEspaaenel ao2005fuede2.149.900 toneladas. Gran parte de la produccin se dedica a la fabricacin de productoselaborados, comoel zumodenaranja. Enel procesodeproduccindeestejugoseobtienecomosubproductounagrancantidaddecscara, queseestimaentornoa370.000 toneladas para el ao 2005. Este subproducto se utiliza frecuentemente para lafabricacin de piensos para ganado.Con objeto de reducir el contenido en humedad y facilitar el manejo yconservacin de la cscara, se ha sometido a un proceso de prensado, utilizandoCa(OH)2 como aglomerante, con lo que se genera un residuo acuoso de carcter bsico.Unodelos objetivos deesteestudioes ladepuracindel residuolquidoresultantedel prensadodelacscaradenaranja, utilizandoparaelloel procesodedigestin anaerobia.Considerando que una de las caractersticas de los efluentes de las industriasagroalimentarias es la variabilidad en su composicin, en primer lugar debe procederseaunaestandarizacindelamismaconel findeconseguir "ciertareproducibilidadexperimental". El residuo homogeneizado presenta la composicin media que semuestra en la tabla 3.1.32Tabla 3.1. Caractersticas fsico-qumicas del agua residualprocedente del prensado de la cscara de naranja.Parmetros Valor MediopHAlcalinidad (mg CaCO3/L)Acidez voltil (mg actico/L)DQOt (mg/L)DQOs (mg/L)COTs(mg/L)SST (mg/L)SSM (mg/L)SSV (mg/L)ST (mg/L)SM (mg/L)SV (mg/L)11,218360695147680140300529702078032001758015190014160137740DQO, Demanda qumica de oxgeno; COT, Carbonoorgnico total; SST, Slidos en suspensin totales; SSM,Slidos en suspensin minerales; SSV, Slidos ensuspensinvoltiles; ST, Slidostotales; SM, Slidosminerales totales; SV, Slidos voltiles totales.Al analizar la composicin del agua residual se observa un elevado contenido enslidos, que ralentizaran el proceso de depuracin anaerobio, aumentando el volumendel digestory por tantose incrementaran los costes de depuracin del agua residual.Para evitarlo, sta se ha sometidopreviamente a untratamientofsico-qumicodecoagulacin-floculacinconSulfatodeAluminioescoriforme(Al2(SO4)318H2O), enuna concentracin de 100 mg/L, consiguiendo una disminucin de aproximadamente el9%delosslidosvoltilestotalespresentes enel residuo. Enestetrabajosevaaestudiar la biodegradabilidad de la materia orgnica soluble presente en el residuo, perono la depuracin de aquella que se encuentra en estado slido.Del mismo modo se observan valores de pH y Alcalinidad muy alejados de losptimos para la digestin anaerobia (pH 6,8-7,4 y alcalinidad 1000-5000 mg CaCO3/L).33Por elloha sidonecesarioacondicionar el residuo, de modoque se evitenvariacionesbruscasenelfuncionamientodelreactor,aadiendocidosulfricohastapH5,5yretirandoparte de laalcalinidad, conel precipitadode CaSO4formado,mediante centrifugacin y filtracin.Finalmente, se ha suplementado el residuo con nitrgeno y fsforo, por ser stosnutrientes fundamentales para el buen desarrollo del proceso de digestin anaerobia. Seha aadido NH4Cl y KH2PO4, de modo que las concentraciones de dichos nutrientes trasel acondicionamientoson2,61ppmdefsforoenformadefosfatoy56,72ppmdenitrgeno en forma de amonio.En la tabla 3.2. se muestran las caractersticas del residuo pretratado con el quese ha alimentado el digestor durante la experimentacin.34Tabla 3.2. Caractersticas fsico-qumicas del agua residualprocedente del prensado de la cscara de naranja tratadacon floculante y con H2SO4.Parmetros Valor MediopHAlcalinidad (mg CaCO3/L)Acidez voltil (mg actico/L)DQOt(mg/L)DQOs (mg/L)COTs(mg/L)SST (mg/L)SSM (mg/L)SSV (mg/L)ST (mg/L)SM (mg/L)SV (mg/L)PO43-(mg/L)N-NO3-(mg/L)N-NO2-(mg/L)N-NH4+(mg/L)5,5015506001300401287404739517030123015800138025142251238002,617,23056,72DQO, Demanda qumica de oxgeno; COT, Carbonoorgnico total; SST, Slidos en suspensin totales; SSM,Slidos en suspensin minerales; SSV, Slidos ensuspensinvoltiles; ST, Slidostotales; SM, Slidosminerales totales; SV, Slidos voltiles totales.35Captulo 4Materiales y Mtodos364.- MATERIALES Y MTODOS4.1.- EQUIPO DE DIGESTIN ANAEROBIAEl sistema utilizado para los ensayos de biodegradacin anaerobia se componede los siguientes elementos:- Digestor anaerobio.- Sistema de agitacin.- Sistema de absorcin de dixido de carbono.- Sistema de medida del metano.Figura 4.1.1. Equipo de digestin anaerobia.374.1.1.- Digestor anaerobioEn la tabla 2.2.3.1. de la Introduccin se ha expuesto un cuadro comparativo delos diferentes tipos de reactores ms frecuentemente utilizados para la digestinanaerobia segn Nebot, 1992. Entre todas las posibilidades existentes se ha optado porunreactor discontinuodemezclacompletaenel quenosehautilizadosistemaderetencindebiomasa, demodoqueel crecimientodelabiomasahatenidolugarensuspensin.El reactor utilizado es de vidrio, cilndrico, de 1 L de volumen til y provisto deuna tapa con un sistema de cierre hermtico. La tapa tiene tres orificios: el primero ycentral de mayor dimetro y otros dos laterales.Por el mayor de ellos se acopla el sistema de alimentacin del reactor. Consta deun tubo, que se introduce hasta el centrodelvolumen de reaccin, y de un frascodealimentacin con un tapn para poder llevar a cabo la alimentacin de formadiscontinua.Los dos orificios laterales estn pensados para poder tomar muestras sinnecesidad de abrir el reactor. Por uno de ellos se introduce un tubo hasta una altura quepermita sacar lquido del reactor sin arrastrar consigo lodos en el caso de estarsedimentados. Si el reactor seencuentraenagitacinlamuestraobtenidadebeserhomognea y representativa de la mezcla de reaccin. El otro orificio en la tapa sirveparainyectarnitrgenoaltomarlasmuestrasyevitarrealizarelvacoenelreactor.Ademsseutilizanlascorrespondientespinzasdepresin. Conelloseconsiguenomodificar las condiciones anaerobias, ya que para la toma de muestras el reactor debeser estanco.Paramantener lascondicionesdetemperaturanecesariasel reactor tieneunacamisaporlaquecirculaaguaa37C. Paraellosedisponedeunbaotermostticomodelo LAUDA RTM 20.384.1.2.- Sistema de agitacinEl agitador empleado es MAGNAAN-2. Est provisto de un selector develocidadydecalefaccin, aunqueesteltimonosehautilizado. Enel interiordelreactor se introduce un imn revestido de tefln para homogeneizar el medio dereaccin.4.1.3.- Sistema de absorcin de dixido de carbonoSe utiliza un recipiente tubular con un volumen de 50 mL, lleno parcialmente deNaOH 6N cuya misin es retener el CO2 del biogs.4.1.4.- Sistema de medida del metanoEl metano se mide por desplazamiento de agua; para ello se utiliza un gasmetrocilndrico de 1L de capacidad y una probeta del mismo volumen. El metano desplaza unvolumen de agua que es recogido y medido en la probeta.Los resultados obtenidos devolumendemetanoacumuladosecorrigenporefecto de la presin de vapor del agua y la temperatura, expresndolos en condicionesnormales de presin y temperatura, segn el siguiente razonamiento:Dado que la presin en un punto dado es directamente proporcional a ladensidad, gravedad y altura, se puede afirmar:h g P = [4.1]Por tanto,dh g dP = [4.2]Por otro lado, de la ecuacin de los gases perfectos se tiene:T R M P= [4.3]39Sustituyendo la ecuacin [4.3] en la ecuacin [4.2], se obtiene:dh gT R M PdP = [4.4]Y reorganizando variables, se obtiene:dhT Rg MPdP= [4.5]Integrando esta ltima ecuacin, quedara del siguiente modo:. cte hT Rg MLnP + = [4.6]Dado que a nivel del mar la presin es 1 atm = 760 mm Hg, se puede afirmarque la variacin de presin a una altura determinada respecto del nivel del mar sera:0 =oh m mmHg 760oP =. cteoLnP =hT Rg MoLnP LnP = [4.7]hT Rg MoPPLn =[4.8]De donde se obtiene:T Rh g MeoPP =[4.9]40T Rh g MeoP P = [4.10]La ecuacin [4.10] es la Ecuacin Baromtrica que se va a utilizar para corregirlos volmenes de metano obtenidos a escala de laboratorio. Para ello se supone que laciudad de Crdoba, donde se encuentra el Departamento de Ingeniera Qumica dondese han realizado los experimentos, se encuentra a 100 m de altura sobre el nivel del mar,la temperatura media del laboratorio es 20Cy la presin vapor del agua a esatemperatura 17 mm Hg.As pues, se tiene:0,0117293 m 10msmkg10 101,3 8,082m 100sm9,81 kg 10 29K 293mol KL atm0,082m 100sm9,81molg29T Rh g M3 3223232= = = Sustituyendo este valor en la ecuacin [4.10], se tiene:Hg mm 7510,0117e Hg mm 760 P = =A temperatura de 20C la presin vapor del agua es 17 mm Hg, que es la queexisteenel interior del gasmetroquecontieneel aguaqueserdesplazadapor elmetano. Portantoladiferenciadepresinentreel exterior einterior del gasmetrosera:Hg mm 734 mmHg 17) - 751 P = = (De ah que los volmenes de metano medidos experimentalmente (V medido) semultipliquen por un factor corrector de 0,9647, segn la siguiente expresin [4.11], paraexpresarlos en condiciones normales de presin y temperatura.41medidoVmedidoVNV =|.|

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\| = 9647 , 0734760293273[4.11]4.2.- MTODOS ANALTICOSLasdeterminacionesanalticasrealizadasparael seguimientodel procesodedigestin anaerobia son:- pH- Alcalinidad- Acidez voltil- Slidos en suspensin totales- Slidos en suspensin minerales- Slidos en suspensin voltiles- Demanda qumica de oxgeno- Carbono orgnico total- cidos orgnicos voltilesTodos ellos se han determinado segn los protocolos de Standard methods forthe examination of water and wastewater, APHA, AWWA & WPCF (1989).424.2.1.- pHSe ha utilizado un pHmetro Crison modelo Digit 2001, provisto de unelectrododevidrioquesesumergeenunvolumenadecuadodemuestra: lalecturadigital dael valor depHcondos decimales. Peridicamentesehaprocedidoalacalibracin del mismo con disoluciones tampn de pH 4 y 7.4.2.2.- AlcalinidadLa alcalinidad de un agua es una medida de su capacidad para neutralizar cidosyrepresentalacapacidadtampnylaestabilidaddelamismafrenteavariacionesbruscas del pH. El valor medio puede variar significativamente con el pH de punto finalutilizado. La alcalinidad tambin es la medida de una propiedad agregada del agua,ysolamente puede expresarse en trminos de sustancias especficas cuando se conoce lacomposicin qumica de la muestra. Adems es importante en muchos usos ytratamientosdeaguasnaturalesy residualesporque esfuncinfundamentalmente delcontenidoencarbonatos, bicarbonatos e hidrxidos, si bienlos valores medios dealcalinidad incluyen tambin la contribucin de boratos, fosfatos, silicatos y otras basespresentes.La determinacin se realiza tomando un volumen conocido de muestra,normalmente 20 mL en un vaso de precipitado y se le aade, lentamente, la solucin decido sulfrico, desde la bureta, hasta alcanzar un pH 4,5. Se mide el volumen gastadode cido.La alcalinidad de la muestra viene dada por la expresin:VmN VAlc1000 50 =donde:Alc = alcalinidad expresada en mg/L de CaCO3.V = volumen gastado de cido sulfrico, mL.43N = normalidad del cido sulfrico.50 = peso equivalente del CaCO3.Vm = volumen tomado de muestra, mL.4.2.3.- Acidez voltilPara su determinacin se sigue un mtodo indirecto, que consiste en unadestilacin por arrastre de vapor de la muestra previamente acidificada. Este mtodo sebasa en la propiedad que presentan los cidos grasos de cadena corta, de arrastre convapor de agua en medio cido. Es una tcnica de gran precisin y con ella se obtienenrecuperaciones de hasta el 98% de los cidos grasos voltiles presentes en la muestra.El procedimiento que se sigue es tomar un volumen de muestra, normalmente 20mL y se determina la cantidad de cido sulfrico al 10 % necesario para llevar el pH dela muestra tomada hasta pH = 3,5. Se toma otro volumen igual de muestra filtrada, seaade una gota de antiespumante yse introduce enel destilador. Inmediatamentedespus se aade la cantidad de cido sulfrico determinada previamente, evitndose deesta forma, la prdida de cidos voltiles.Se destila a una velocidad tal que se recoja un volumen de 200 mLenaproximadamente 15 minutos; pasados stos, se recoger una fraccin de 50 mL msparaasegurarnos dehaber recogidotodas las fracciones decidos. El destiladoserecoge en un matraz erlenmeyer tapado con papel de parafina. Este destilado se valoracon NaOH 0,1 N, utilizando fenolftaleina como indicador.El contenidoencidosvoltilesdelamuestra, expresadoenmg/Ldecidoactico, viene dado por:VmN VAV1000 60 =donde:AV = acidez voltil, mg/L de cido actico.V = volumen de NaOH, mL.N = normalidad exacta de NaOH.4460 = peso molecular del cido actico.Vm = volumen tomado de muestra, mL.4.2.4.- Slidos en suspensin totales, (SST)La determinacin de los slidos en suspensin totales incluye tanto los slidosorgnicos como los inorgnicos presentes en la muestra. Su medida es importante tantopara el control del proceso biolgico y fsico de las aguas residuales como para evaluarel cumplimiento de las limitaciones que regulan su vertido.Un volumen de muestra, bien homogeneizada, se filtra a travs de un papel defiltroseco, cuyopesosehadeterminado. El modelodefiltrosempleadoesWatmanGF/Cde47mm . El residuoretenidoenel filtro, sesecaenestufaa103-105Csoportadosobreuncrisol dealuminiohastapesoconstante. El incrementodepesoexperimentado por el filtro, representa el contenido en slidos en suspensin totales dela muestra.4.2.5.- Slidos en suspensin minerales, (SSM)El filtroconel residuoseco, procedentedeladeterminacindeslidos ensuspensin totales colocado enuncrisol de aluminio de pesoconocido,se lleva a unhornoa550Cdondesecalcinahastapesoconstante. Lascenizasquequedanenlacpsula, indican el contenido en slidos en suspensin minerales.4.2.6.- Slidos en suspensin voltiles, (SSV)Los slidos ensuspensinvoltiles simplementesonladiferenciaentrelosslidos en suspensin totales y los slidos en suspensin minerales.454.2.7.- Demanda qumica de oxgeno, (DQO)La demanda qumica de oxgeno, es una medida del oxgeno consumido,fundamentalmente, enlaoxidacindelamateriaorgnicacontenidaenunamuestradada por un oxidante fuerte.El mtodoutilizadoparasudeterminacinesel del dicromato: lamuestrasesometeaunaoxidacinqumicaencaliente(150C), por adicindeunexcesodeoxidante (K2Cr2O7), de concentracin conocida,en medio H2SO4. Tras un periodo dedigestin, el exceso de dicromato que no ha reaccionado, se valora frente a sal de Mohr(Fe(NH4)2(SO4)27H2O) o FAS (sulfato amnico ferroso). Por diferencia, se determinala cantidad de dicromato consumido en la oxidacin de la muestra. Para cuantificar lacantidad de dicromato aadida se incluye, junto a la muestra, un ensayo en blanco. Esteest compuesto por un volumen de agua destilada idntico al de la muestra y los mismosreactivos qumicos como si se tratase de una muestra.Lasespeciesinorgnicasenestadoreducidoquepuedanestarpresentesenlamuestra son tambin oxidadas en el transcurso de la digestin, por lo que, si el nivel delasmismasesalto, debeconocersesuconcentracinenlamuestraparaefectuarlascorrecciones necesarias.( )VmN M BDQOFAS =1000 8donde:B = volumen de FAS gastado en la valoracin del blanco, mL.M = volumen de FAS gastado en la valoracin de la muestra, mL.NFAS = Normalidad exacta del FAS.Vm = Volumen de muestra, mL.464.2.8.- Carbono orgnico total, (COT)El carbono total es una medida del contenido en carbono, tanto inorgnico comoorgnico, presente en una muestra. Se ha determinado mediante una tcnicainstrumental, utilizando un analizador de carbono Dohrmann modelo DC-190.El mtodo de determinacin se basa en la oxidacin cataltica de todo el carbonopresente en la muestra a CO2, y la posterior deteccin de este producto final medianteespectrometradeinfrarrojos. Dichaoxidacinserealizaenunhornorellenoconuncatalizador de platino depositado sobre partculas de almina junto con el gas portadorque acta como oxidante.Por otro lado se determina en el mismo equipo instrumental el carbonoinorgnico de la muestra. La muestra, en fase vapor, se hace burbujear, junto con el gasportador (oxgeno N50), por una disolucin de cido fosfrico al 20%, de modo que aldetector espectrofotomtrico de infrarrojos slo llega la fraccin de CO2correspondiente al carbono inorgnico contenido en la muestra.4.2.9.- cidos orgnicos voltilesSu determinacin cuantitativa consiste en la conversin en cidos grasos, de lascorrespondientes sales, mediante la acidificacin del medio para posteriormente analizarla muestra por cromatografa gaseosa.Se toman 2 mL de muestra y se filtran con microfiltros WATMAN modelo CF/Cde 47 mm , se aaden 50 L de H3PO4 concentrado y 50 L de cido crotnico (2000mg/L). Todo el conjunto se filtra con un microfiltro de 0,45 m Millex-HV. El filtradoseinyectaenuncromatgrafodegasesHewlett-PackardHP-560conundetectordeionizacin de llama (FID) y una columna capilar de Nukol-silice de SUPELCO de 15 my 0,53 mm de I.D. con una pelcula de 0,5 m de espesor.Latemperaturadel hornoseprogramde100a150Cconungradientede4C/minuto. Se utiliz una mezcla al 50% de He y N2.47La seal elctrica procedente del detector es enviada a un mdulo de interfaseanalgica(IA406)delamarcaBeckman. Unordenadorrecibeencontinuolasealdesde la interfase, y esta, es procesada como datos y convertida en resultados medianteel software System Gold de la misma marca Beckman.El informe de los anlisis puede servisualizado en la pantalla comogrfico otabulado. Los datos de concentracin de cidos orgnicos voltiles obtenidos para cadaexperimentosesometenauntratamientodemodoqueseobtienenlosvaloresdelaconcentracindecarbonoquecorrespondealoscidosactico, propinico, butrico,isobutrico, valrico, isovalrico y caproico. Dichos valores se calculan como acontinuacin se detalla:COOH CH mmolCOOH CH mg60COOH CH mmolC mg12 2LCOOH CH mgCLC mgC C333 3--||.|

\|= |.|

\|2 2COOH CH CH mmolCOOH CH CH mg74COOH CH CH mmolC mg12 3LCOOH CH CH mgCLC mgC C2 32 32 3 2 3--||.|

\|=|.|

\|3 3( ) ( )( ) COOH CH CH mmolCOOH CH mg88COOH CH CH mmolC mg12 4LCOOH CH CH mgCLC mgC CLC mgiC C2 2 3322 322 3--||.|

\|= |.|

\| = |.|

\|4 4 4( ) ( )( ) COOH CH CH mmolCOOH CH mg102COOH CH CH mmolC mg12 5LCOOH CH CH mgCL C mgC CLC mgiC C32 333 2 3 3 2 355 5--||.|

\|== |.|

\| = |.|

\|( ) ( )( ) COOH CH CH mmolCOOH CH mg116COOH CH CH mmolC mg12 6LCOOH CH CH mgCLC mgC C4 2 3342 342 3--||.|

\|=|.|

\|6 6De igual modo, se ha incluido una variable relacionada con la concentracin decarbono orgnico presente en forma distinta a los cidos orgnicos voltiles. Se calculamediante la expresin:48( )|.|

\| |.|

\|=|.|

\|LC mgAOV CLC mgCOTLC mgMOsiendoC-AOVlavariablequecuantificalaconcentracinglobal decarbonoqueseencuentra en forma de cidos.4.3.- ARRANQUE Y PUESTA A PUNTO DEL REACTORANAEROBIO4.3.1.- Inoculacin del reactorParalainoculacindel reactor sehautilizadounlodoprocedentedeundigestor industrial que trata aguas residuales procedentes de la industria cervecera(Cervezas Alczar, Grupo Heineken S.A., Jan, Espaa). Al digestor se aaden,inicialmente, aproximadamente 7 g de SSV y nutrientes esenciales para el crecimientobacteriano. Concretamente se aaden 200 mL/L de una disolucin de macronutrientes(Tabla 4.3.1.1., Solucin 1) y 5 mL/L de elementos traza (Tabla 4.3.1.1., Solucin 2).Tabla 4.3.1.1. Composicin de la solucin de Macro y Micronutrientes.Solucin 1. MacronutrientesNH4ClKH2PO4NaNO31,4 g/L1,25 g/L2 g/LCaCl2MgSO47H2OLevadura0,04 g/L0,5 g/L0,5 g/LSolucin 2. Elementos traza. MicronutrientesFeCl34H2OCoCl26H2OMnCl2CuCl2ZnCl2H3BO32000 mg/L2000 mg/L318 mg/L24 mg/L50 mg/L50 mg/L(NH4)6Mo7O244H2ONa2SeO35H2ONiCl26H2OEDTAHCl 36%Resazurn90 mg/L68 mg/L50 mg/L1000 mg/L1 mL/L500 mg/L494.3.2.- Activacin de la biomasa anaerobiaCon objeto de la activacin de la biomasa anaerobia, se han adicionado cargascrecientes de 0,25; 0,50; 0,75; 1,00 y 1,50 g de DQO de una disolucin de Glucosa -Acetato sdico - cido lctico (GAL), cuya composicin se muestra en la tabla 4.3.2.1.Tabla 4.3.2.1. Disolucin de Glucosa-Acetatosdico-cido lctico (GAL).GlucosaAcetato sdicocido lctico50,0 g/L25,0 g/L20,8 mL/LLa disolucin se neutraliz con KHCO3Se ha medido el volumen de metano producido a lo largo del tiempo deexperimentacin de cada carga realizada, hasta que cesa la produccin de biogs. En latabla 4.3.2.2. se muestran las parejas de valores volumen de metano-tiempo en la fase dearranque del digestor. Dichos valores aparecen expresados de forma grfica en la figura4.3.2.1.50Tabla 4.3.2.2. Volumen de metano-tiempo. Carga aadida:0,25; 0,50; 0,75; 1,00 y 1,50 g DQO deGAL.0,25 g DQO 0,50 g DQO 0,75 g DQO 1,00 g DQO 1,50 g DQOTiempo(h)G(NmL CH4)G(NmL CH4)G(NmL CH4)G(NmL CH4)G(NmL CH4)0,00 0 0 0 0 00,75 -- 17 -- -- 391,00 -- 32 -- -- --1,25 -- -- -- 64 --1,50 17 -- -- -- 1642,00 21 68 -- 137 --2,25 -- -- -- -- 2452,75 -- -- -- 228 --3,25 -- -- -- -- 3223,50 -- -- -- 267 --3,75 32 -- -- -- --4,25 -- -- -- 284 --4,50 -- 174 -- -- --4,75 -- -- -- 293 4195,00 -- 187 215 -- --6,50 -- 207 -- -- --6,75 51 -- -- -- --7,00 -- -- -- 324 4737,25 -- 218 -- -- --7,75 54 -- -- -- --8,00 -- 228 -- -- 4808,25 -- -- -- 349 --8,75 64 -- -- -- --9,50 -- -- -- -- 49420,25 -- 234 -- -- --22,75 80 -- -- -- --23,50 -- -- -- 369 --24,00 -- -- -- -- 51925,00 80 -- -- -- --30,00 80 234 -- -- --39,75 -- -- 275 -- --48,00 80 234 275 369 51951Tiempo (h)0 10 20 30 40 50 60G(NmLCH4)01002003004005006007008009000,25 g DQO GAL0,50 g DQO GAL0,75 g DQO GAL1,00 g DQO GAL1,50 g DQO GALFigura 4.3.2.1. Representacin de los valores de volumen de metano-tiempo. Cargaaadida: 0,25; 0,50; 0,75; 1,00 y 1,50 g DQO de GAL.Enlatabla4.3.2.3. semuestranlosvaloresdevolumenmximodemetanoobtenido en el arranque del digestor. Puede observarse que la activacin de la biomasase realiza de un modo aceptable ya que existe proporcionalidad directa entre el volumende metano producido y la DQO aadida como muestra la figura 4.3.2.2.Tabla 4.3.2.3. Produccin mxima de metano. Sustrato GAL.GT CH4 /S (NmL CH4)0,25 g DQO 800,50 g DQO 2340,75 g DQO 2751,00 g DQO 3691,50 g DQO 51952Carga aadida (g DQO)0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75GTCH4/S(NmLCH4)0100200300400500600Valores experimentalesFigura 4.3.2.2. Representacin de los valores del volumen de metanoproducido frente a los g de DQO aadida al digestor en la fase dearranque.4.3.3.- Adaptacin de la biomasa a la digestin del residuoPara poder llevar a cabo el proceso de digestin anaerobia de forma adecuada esaconsejablerealizar, posteriormentealaactivacin, unaadaptacindelabiomasaalsustrato problema o residuo a estudiar, ya que los microorganismos anaerobios puedennoestar enlas condiciones adecuadas defuncionamiento, loquesetraduceenunretardo en la produccin de metano del biorreactor.Para ello se han adicionado cargas que combinan la disolucin de GAL con elresiduo pretratado, aumentando progresivamente la proporcin de este ltimo. As pues,se han realizado las siguientes alimentaciones: (0,25 g DQO de residuo + 0,75 g DQOde GAL), (0,50 g DQO de residuo + 0,50 g DQO de GAL), (0,75 g DQO de residuo +0,25 g DQO de GAL) y (1,00 g DQO de residuo).Enlatabla4.3.3.1. semuestranlosvaloresdevolumendemetanoytiempoobtenidospara lasdistintascargasrealizadasenla fasede adaptacin.Yenla figura4.3.3.1. las parejas de valores (G,t) en forma grfica.53Tabla 4.3.3.1. Volumen de metano-tiempo. Carga aadida:(0,25 g DQO de residuo + 0,75 gDQO de GAL), (0,50 g DQO de residuo + 0,50 g DQO de GAL), (0,75 g DQO de residuo + 0,25 g DQOde GAL) y (1,00 g DQO de residuo).0,25 g DQO residuo +0,75 g DQO GAL0,50 g DQO residuo +0,50 g DQO GAL0,75 g DQO residuo +0,25 g DQO GAL1,00 g DQOresiduoTiempo(h)G(NmL CH4)G(NmL CH4)G(NmL CH4)G(NmL CH4)0,00 0 0 0 00,25 -- 33 29 --0,75 87 49 -- --1,50 -- -- -- 1452,75 255 -- -- --3,00 -- -- 270 --3,25 -- -- 280 --3,50 286 -- -- --4,25 -- -- -- 2597,00 -- 323 -- --8,00 318 -- -- --12,00 -- -- 340 --23,75 -- -- -- 27824,00 -- 323 -- --25,75 331 -- -- --26,00 -- -- 342 --48,00 331 323 342 27854Tiempo (h)0 10 20 30 40 50 60G(NmLCH4)0501001502002503003504004505005500,25 g DQO residuo + 0,75 g DQO GAL0,50 g DQO residuo + 0,50 g DQO GAL0,75 g DQO residuo + 0,25 g DQO GAL1,00 g DQO residuoFigura 4.3.3.1. Representacin de los valores de volumen de metano-tiempo. Carga aadida:(0,25 g DQO de residuo + 0,75 g DQO deGAL), (0,50 g DQO de residuo + 0,50 g DQO de GAL), (0,75 g DQOde residuo + 0,25 g DQO de GAL) y (1,00 g DQO de residuo).Laproduccindemetanoesconsecuenciadeladegradacin, porpartedelasbacterias anaerobias, de la materia biodegradable disponible en el medio. Elcomportamientodel digestor se estabiliza a la vez que los valores del coeficienteGT CH4/Sadquieren valores razonables, dentro de la variabilidad experimental quesuponen en un sistema biolgico. Dichos valores se muestran en la tabla 4.3.3.2.55Tabla 4.3.3.2. Produccin mxima de metano. Sustrato residuo + GAL.A la luz de los resultados se puede observar que el comportamiento en el reactores aceptable, obteniendounabiomasaadaptadaal consumodelamateriaorgnicapresenteenelresiduo,que ser la que seutiliceposteriormente para elestudiode labiodegradabilidad anaerobia del lquido problema.Carga aadida (g DQO)A B C DGTCH4/S(NmLCH4)050100150200250300350400Figura 4.3.3.2. Representacin de los valores del volumen de metano producido frente a los g de DQOaadida al digestor en la fase de adaptacin.Una vez se ha activado el lodo y se ha adaptado al residuo a tratar, segn se hadescritoenapartadosprecedentes, sehaestudiadolabiodegradabilidadanaerobiadelresiduo realizando varias adiciones con el mismo en el reactor.GT CH4 /S (NmL CH4)/ g DQO aadidoA 0,25 g DQO de residuo + 0,75 g DQO de GAL 331B 0,50 g DQO de residuo + 0,50 g DQO de GAL 323C 0,75 g DQO de residuo + 0,25 g DQO de GAL 342D 1,00 g DQO de residuo 27856Captulo 5Resultados experimentales575.- RESULTADOS EXPERIMENTALES5.1.- RESULTADOSEXPERIMENTALESOBTENIDOSENELPROCESO DE DIGESTIN ANAEROBIAEl dispositivo experimental utilizado para el tratamiento de digestin anaerobiaha consistido en un reactor discontinuo, en el que se han efectuado varios experimentosconsecutivos para evaluar la biodegradabilidad del residuo pretratado. En cada uno deellos se hanadicionadocargascrecientes de materia orgnica, medidasa travsde laDQO soluble, que oscilan entre 1,00 y 5,00 g, con un incremento de 0,50 g DQO entrecada carga. Todas ellas se han realizado por duplicado.5.1.1.- Caracterizacin del reactorFinalizada cada adicin, y una vez que cesa la produccin de biogs, se procedea la caracterizacin del contenido interno del digestor. Los ensayos analticos realizadosse han realizado como se describe en el apartado de Materiales y Mtodos. Losresultados delas distintas variables estudiadas sepresentanenlas tablas 5.1.1.1. a5.1.1.9. inclusive.Tabla 5.1.1.1. Caracterizacin del reactor anaerobio alimentado con residuopretratado. Inicio y final de la carga de 1,00 g DQO.1 carga 1,00 g DQO residuoMuestra inicial Muestra finalpH 7,57 7,40AV (mg/actico/L) 740 200Alc (mg CaCO3/L)3090 2970AV/Alc(eq actico/eq CaCO3)0,20 0,06DQOs (mg/L) 1330 250SST (mg/L) 7883 7567SSM (mg/L) 1650 1533SSV (mg/L) 6233 603458Tabla 5.1.1.2. Caracterizacin del reactor anaerobio alimentado con residuo pretratado. Inicio yfinal de las cargas de 1,50 g DQO.1 carga 1,50 g DQO residuo 2 carga 1,50 g DQO residuoMuestra inicial Muestra finalMuestra inicialMuestra finalpH 7,40 7,30 7,30 7,42AV (mg/actico/L) 200 360 360 315Alc (mg CaCO3/L) 2970 2970 2970 2860AV/Alc(eq actico/eq CaCO3)0,06 0,10 0,10 0,09DQOs (mg/L) 1680 250 1680 390SST (mg/L) 7567 7700 7700 6750SSM (mg/L)1533 1500 1500 800SSV (mg/L) 6034 6200 6200 5950Tabla 5.1.1.3. Caracterizacin del reactor anaerobio alimentado con residuo pretratado. Inicio y finalde las cargas de 2,00 g DQO.1 carga 2,00 g DQO residuo 2 carga 2,00 g DQO residuoMuestra inicial Muestra finalMuestra inicialMuestra finalpH 7,42 7,47 7,47 7,47AV (mg/actico/L)315 240 240 300Alc (mg CaCO3/L) 2860 3090 3090 2970AV/Alc(eq actico/eq CaCO3)0,09 0,06 0,06 0,08DQOs (mg/L) 2285 350 2250 470SST (mg/L) 6750 7250 7250 7400SSM (mg/L) 800 1550 1550 1700SSV (mg/L) 5950 5700 5700 570059Tabla 5.1.1.4. Caracterizacin del reactor anaerobio alimentado con residuo pretratado. Inicio y finalde las cargas de 2,50 g DQO.1 carga 2,50 g DQO residuo 2 carga 2,50 g DQO residuoMuestra inicialMuestra finalMuestra inicial Muestra finalpH 7,47 7,26 7,26 7,62AV (mg/actico/L) 300 240 240 350Alc (mg CaCO3/L) 2970 2975 2975 3210AV/Alc(eq actico/eq CaCO3)0,08 0,07 0,07 0,09DQOs (mg/L) 2830 345 2710 465SST (mg/L) 7400 7200 7200 6684SSM (mg/L)1700 1283 1283 1317SSV (mg/L) 5700 5917 5917 5367Tabla 5.1.1.5. Caracterizacin del reactor anaerobio alimentado con residuo pretratado. Inicio y finalde las cargas de 3,00 g DQO.1 carga 3,00 g DQO residuo 2 carga 3,00 g DQO residuoMuestra inicialMuestra finalMuestra inicial Muestra finalpH 7,62 7,62 7,62 7,31AV (mg/actico/L) 350 310 310 400Alc (mg CaCO3/L) 3210 3450 3450 3210AV/Alc(eq actico/eq CaCO3)0,09 0,07 0,07 0,12DQOs (mg/L) 3285 360 3185 475SST (mg/L)6684 6450 6450 6717SSM (mg/L) 1317 1375 1375 1500SSV (mg/L) 5367 5075 5075 521760Tabla 5.1.1.6. Caracterizacin del reactor anaerobio alimentado con residuo pretratado. Inicio y finalde las cargas de 3,50 g DQO.1 carga 3,50 g DQO residuo 2 carga 3,50 g DQO residuoMuestra inicial Muestra finalMuestra inicialMuestra finalpH 7,31 7,73 7,73 7,77AV (mg/actico/L) 400 560 560 490Alc (mg CaCO3/L) 3210 3450 3450 3570AV/Alc(eq actico/eq CaCO3)0,12 0,14 0,14 0,12DQOs (mg/L) 3755 515 3790 620SST (mg/L) 6717 6433 6433 6383SSM (mg/L)1500 1583 1583 1617SSV (mg/L) 5217 4850 4850 4766Tabla 5.1.1.7. Caracterizacin del reactor anaerobio alimentado con residuo pretratado. Inicio y finalde las cargas de 4,00 g DQO.1 carga 4,00 g DQO residuo 2 carga 4,00 g DQO residuoMuestra inicialMuestra finalMuestra inicial Muestra finalpH 7,77 7,29 7,29 7,79AV (mg/actico/L)490 650 650 310Alc (mg CaCO3/L) 3570 3090 3090 2690AV/Alc(eq actico/eq CaCO3)0,12 0,18 0,18 0,10DQOs (mg/L) 4345 710 4430 360SST (mg/L) 6383 6600 6600 6133SSM (mg/L) 1617 1800 1800 1250SSV (mg/L) 4766 4800 4800 486661Tabla 5.1.1.8. Caracterizacin del reactor anaerobio alimentado con residuo pretratado. Inicio y finalde las cargas de 4,50 g DQO.1 carga 4,50 g DQO residuo 2 carga 4,50 g DQO residuoMuestra inicialMuestra finalMuestra inicial Muestra finalpH 7,79 7,31 7,31 7,57AV (mg/actico/L) 310 450 450 840Alc (mg CaCO3/L) 2690 3450 3450 3210AV/Alc(eq actico/eq CaCO3)0,10 0,10 0,10 0,22DQOs (mg/L) 4555 670 4845 930SST (mg/L) 6133 6650 6650 5783SSM (mg/L)1250 1283 1283 1233SSV (mg/L) 4866 5367 5367 4550Tabla 5.1.1.9. Caracterizacin del reactor anaerobio alimentado con residuo pretratado. Inicio y finalde las cargas de 5,00 g DQO.1 carga 5,00 g DQO Residuo 2 carga 5,00 g DQO ResiduoMuestra inicial Muestra finalMuestra inicialMuestra finalpH 7,57 7,53 7,53 8,08AV (mg/actico/L)840 670 670 800Alc (mg CaCO3/L) 3210 3090 3090 4400AV/Alc(eq actico/eq CaCO3)0,22 0,18 0,18 0,15DQOs (mg/L) 5540 800 5415 920SST (mg/L) 5783 6617 6617 7717SSM (mg/L) 1233 1167 1167 2183SSV (mg/L) 4550 5450 5450 5534625.1.2.- Resultados experimentales de la produccin de metano en elreactor anaerobioSeharealizadounseguimientoenel reactor, concadaunadelas cargasoensayos realizados, de la produccin de metano a lo largo del tiempo.Enlas tablas 5.1.2.1. a 5.1.2.8. se presentanlos volmenes acumulados demetanoconeltiempoexpresadosencondicionesnormalesdepresinytemperatura.Losvolmenesexperimentalessehancorregidotaly comoseexplica enelapartado4.1. de Materiales y Mtodos.Tabla 5.1.2.1. Produccin de metano frente al tiempo. Cargas:1,50 g DQO de residuo pretratado.1 carga 1,50 g DQO 2 carga 1,50 g DQOTiempo(h)G(NmL CH4)G(NmL CH4)0,00 0 00,75 -- 1021,25 -- 1452,25 -- 2412,75 -- 2723,25 -- 3074,00 -- 3405,00 362 --6,25 -- 3937,75 -- 40220,00 415 --22,75 -- 41624,00 415 41648,00 415 --63Tabla 5.1.2.2. Produccin de metano frente al tiempo. Cargas:2,00 g DQO de residuo pretratado.1 carga 2,00 g DQO 2 carga 2,00 g DQOTiempo(h)G(NmL CH4)G(NmL CH4)0,00 0 00,75 -- 1251,50 -- 2072,00 227 --2,25 -- 2622,75 285 --3,50 336 --3,75 -- 3134,75 -- 3625,00 423 --5,50 -- 4017,00 490 --7,50 -- 4798,75 510 50810,25 -- 52721,00 546 --22,25 -- 56324,00 546 56348,00 546 56364Tabla 5.1.2.3. Produccin de metano frente al tiempo. Cargas:2,50 g DQO de residuo pretratado.1 carga 2,50 g DQO 2 carga 2,50 g DQOTiempo(h)G(NmL CH4)G(NmL CH4)0,00 0 00,50 97 --1,00 174 --1,75 -- 2682,00 257 --2,50 310 --2,75 -- 3453,75 -- 4054,50 424 --6,25 491 --6,75 -- 5117,50 538 --8,75 -- 6089,75 -- 62710,00 590 --20,75 672 --24,00 672 --27,00 -- 73547,50 -- 74248,00 672 74265Tabla 5.1.2.4. Produccin de metano frente al tiempo. Cargas:3,00 g DQO de residuo pretratado.1 carga 3,00 g DQO 2 carga 3,00 g DQOTiempo(h)G(NmL CH4)G(NmL CH4)0,00 0 01,00 122 --1,50 -- 2121,75 247 --2,25 -- 3282,75 324 --3,75 398 4464,50 -- 4865,25 -- 5235,75 517 --7,75 612 --9,25 679 --10,00 -- 68318,00 -- 81721,25 880 --22,00 -- 82524,00 880 82548,00 880 82566Tabla 5.1.2.5. Produccin de metano frente al tiempo. Cargas:3,50 g DQO de residuo pretratado.1 carga 3,50 g DQO 2 carga 3,50 g DQOTiempo(h)G(NmL CH4)G(NmL CH4)0,00 0 00,50 48 --1,00 -- 1252,00 -- 3162,25 338 --2,75 392 --3,00 -- 4324,00 479 --6,00 547 5676,50 574 --7,25 -- 6239,25 -- 6979,75 -- 72212,00 733 --18,75 853 --22,75 907 --23,75 -- 95324,75 942 --26,25 951 --28,00 954 --28,75 -- 95331,25 954 --43,00 954 --46,25 -- 95348,00 954 95367Tabla 5.1.2.6. Produccin de metano frente al tiempo. Cargas:4,00 g DQO de residuo pretratado.1 carga 4,00 g DQO 2 carga 4,00 g DQOTiempo(h)G(NmL CH4)G(NmL CH4)0,00 0 00,50 -- 711,00 70 --1,25 -- 2391,75 -- 2722,00 282 --3,00 -- 3303,50 426 3804,75 513 --5,00 -- 4346,00 579 --7,00 627 --7,75 -- 5409,00 -- 5799,50 727 --11,00 781 65823,00 1017 86424,50 1061 --26,00 -- 90228,50 1111 95229,00 -- 97431,00 1121 --31,25 -- 103433,50 1121 --34,00 -- 104447,00 -- 109047,50 1121 --48,00 1121 --49,75 -- 109853,00 -- 110760,00 -- 112565,00 -- 112568Tabla 5.1.2.7. Produccin de metano frente al tiempo. Cargas:4,50 g DQO de residuo pretratado.1 carga 4,50 g DQO 2 carga 4,50 g DQOTiempo(h)G(NmL CH4)G(NmL CH4)0,00 0 00,75 81 --1,50 259 --2,00 320 4383,00 413 5253,75 461 --4,50 -- 5814,75 506 --5,75 588 --6,50 -- 6687,50 655 --8,00 -- 7019,50 -- 75010,00 744 --21,50 1024 --21,75 -- 103923,00 1062 --23,25 -- 105025,00 1078 --27,00 1109 109028,50 -- 112028,75 1134 --29,75 1147 --30,50 -- 114931,50 -- 116433,25 1186 116744,75 1215 --45,50 -- 122748,00 1215 122769Tabla 5.1.2.8. Produccin de metano frente al tiempo. Cargas:5,00 g DQO de residuo pretratado.1 carga 5,00 g DQO 2 carga 5,00 g DQOTiempo(h)G(NmL CH4)G(NmL CH4)0,00 0 00,50 68 --1,00 212 --1,50 289 --2,00 338 2704,25 -- 3515,75 -- 3968,25 569 --17,25 -- 68521,75 936 --22,00 -- 79323,50 -- 83225,00 -- 88226,00 -- 91630,00 -- 102632,25 1121 --41,25 -- 123842,25 -- 124346,00 1278 --46,75 -- 124348,00 -- 124354,00 -- 124354,25 1278 --67,50 1278 --705.1.3.- Resultados experimentales de la evolucin del carbono orgnicoen el reactor anaerobioCon objeto de no modificar las condiciones de estanqueidad del reactor se hantomadomuestrasdepequeovolumen, entornoa5mL, quesehanutilizadoparaestudiar la evolucin del contenido en carbono orgnico as como la evolucin de loscidos orgnicos voltiles en cada ensayo. Concretamente, se han extrado muestras enla rplica realizada para cada una de las diferentes cargas estudiadas: 1,50; 2,00; 2,50;3,00; 3,50; 4,00; 4,50y5,00gDQOderesiduo. Losresultadossepresentanenlastablas 5.1.3.1. a 5.1.3.8.Tabla 5.1.3.1. Evolucin del carbono orgnico, inorgnicoy total frente al tiempo. Carga: 1,50 g DQO de residuo.Carga aadida 1,50 g DQOTiempo(h)C.T.(mg/L)C.I.(mg/L)C.O.T.(mg/L)0,00 369,6 2,6 166,3 2,6 203,3 5,22,00 246,9 7,2 146,5 0,5 100,4 7,86,00 208,9 5,7 180,2 8,4 28,7 2,724,00 223,2 4,7 197,7 0,1 25,5 4,871Tabla 5.1.3.2. Evolucin del carbono orgnico, inorgnicoy total frente al tiempo. Carga: 2,00 g DQO de residuo.Carga aadida 2,00 g DQOTiempo(h)C.T.(mg/L)C.I.(mg/L)C.O.T.(mg/L)0,00 393,0 3,2 140,1 0,7 252,9 1,52,00 269,7 2,1 128,7 5,0 141,0 7,15,00 261,5 1,4 182,6 5,3 78,9 3,98,00 241,8 0,9 205,2 5,4 36,7 6,324,00 271,5 13,1 239,2 6,1 32,3 7,0Tabla 5.1.3.3. Evolucin del carbono orgnico, inorgnicoy total frente al tiempo. Carga: 2,50 g DQO de residuo.Carga aadida 2,50 g DQOTiempo(h)C.T.(mg/L)C.I.(mg/L)C.O.T.(mg/L)0,00 650,1 8,1 195,9 5,7 454,2 2,42,00 412,1 2,6 156,0 1,6 256,0 0,97,00 307,7 11,0 166,9 12,8 140,7 1,827,00 298,3 1,3 254,5 10,4 43,8 9,148,00 349,5 2,7 322,2 8,5 27,3 11,278,00 340,3 13,5 325,4 19,8 14,9 6,472Tabla 5.1.3.4. Evolucin del carbono orgnico, inorgnicoy total frente al tiempo. Carga: 3,00 g DQO de residuo.Carga aadida 3,00 g DQOTiempo(h)C.T.(mg/L)C.I.(mg/L)C.O.T.(mg/L)0,00 637,1 8,7 105,1 1,7 532,0 7,02,00 614,8 2,1 255,8 2,8 359,0 4,84,50 456,2 5,2 226,4 3,1 229,8 2,119,00 373,4 0,4 317,8 0,3 54,5 0,124,00 375,8 1,4 314,4 1,7 61,4 3,1Tabla 5.1.3.5. Evolucin del carbono orgnico, inorgnico y totalfrente al tiempo. Carga: 3,50 g DQO de residuo.Carga aadida 3,50 g DQOTiempo(h)C.T.(mg/L)C.I.(mg/L)C.O.T.(mg/L)0,00 807,6 0,8 213,8 6,0 593,8 5,32,00 635,0 5,1 192,6 2,2 442,4 2,94,00 589,4 10,5 221,4 0,7 368,2 9,87,00 550,4 6,9 254,0 11,7 296,4 18,624,00 363,0 1,1 298,6 4,6 64,5 5,728,00 224,2 9,3 131,5 7,4 92,8 2,073Tabla 5.1.3.6. Evolucin del carbono orgnico, inorgnicoy total frente al tiempo. Carga: 4,00 g DQO de residuo.Carga aadida 4,00 g DQOTiempo(h)C.T.(mg/L)C.I.(mg/L)C.O.T.(mg/L)0,00 1119,4 6,5 263,8 3,1 855,6 3,71,50 750,8 3,8 178,8 0,4 572,0 3,43,00 624,0 4,5 157,1 0,0 466,8 4,54,50 611,8 1,2 190,8 4,1 421,0 2,97,00 618,0 3,6 218,0 0,7 400,2 2,923,00 400,4 2,5 254,6 2,8 145,8 5,352,00 376,8 2,3 312,6 0,8 64,2 3,176,00 370,2 2,0 292,6 6,0 77,5 4,074Tabla 5.1.3.7. Evolucin del carbono orgnico, inorgnicoy total frente al tiempo. Carga: 4,50 g DQO de residuo.Carga aadida 4,50 g DQOTiempo(h)C.T.(mg/L)C.I.(mg/L)C.O.T.(mg/L)0,00 895,8 11,0 172,0 4,6 723,8 15,56,50 496,8 4,1 101,7 3,5 395,0 7,69,50 418,4 1,2 77,0 3,2 341,4 1,923,00 315,0 3,5 129,0 0,7 186,0 4,227,00 345,0 0,0 171,5 2,1 173,5 2,335,00 313,8 5,2 158,7 4,9 155,0 10,246,50 262,8 1,7 193,3 0,9 69,6 2,675Tabla 5.1.3.8. Evolucin del carbono orgnico, inorgnicoy total frente al tiempo. Carga: 5,00 g DQO de residuo.Carga aadida 5,00 g DQOTiempo(h)C.T.(mg/L)C.I.(mg/L)C.O.T.(mg/L)0,00 1036,2 5,1 172,0 9,9 864,2 15,02,00 797,0 4,1 103,7 2,8 693,3 6,94,00 856,8 12,4 103,2 2,5 753,6 13,48,00 781,8 6,3 85,0 1,3 696,8 5,017,00 666,4 3,0 204,0 0,3 462,4 3,222,00 654,8 7,6 216,4 7,8 393,6 0,226,00 563,8 5,4 216,8 4,8 285,4 0,630,00 474,0 1,0 254,6 3,7 219,4 4,642,00 487,0 5,0 352,2 5,7 134,8 0,747,00 482,4 8,2 359,8 8,1 122,6 0,1765.1.4.- Evolucin de la concentracin de los cidos orgnicos voltiles(AOV) durante la digestin anaerobiaEnlastablas5.1.4.1. y5.1.4.2. sepresentanlasconcentracionesdelosAOV(cidosorgnicosvoltiles)presentesenel agua residual, tantoenel residuobrutocomo en el residuo acondicionado para cargar el digestor.Tabla 5.1.4.1. cidos orgnicos voltilespresentes en el agua residual procedente de laexpresin de la cscara de naranja.AOV Concentracin (mg/L)cido Actico 177,30cido Propinico 963,50cido Isobutrico 172,90cido Butrico 170,30cido Isovalrico 100,60cido Valrico 8,00cido Caproico 0,00Tabla 5.1.4.2. cidos orgnicos voltilespresentes en el residuo tratado con floculante ycido sulfrico.AOV Concentracin (mg/L)cido Actico 48,10cido Propinico 0,00cido Isobutrico2,40cido Butrico 0,00cido Isovalrico 0,00cido Valrico0,00cido Caproico 0,00Del mismo modo, en las tablas 5.1.4.3. a 5.1.4.10. se muestra la concentracinde cidos orgnicos voltiles en cada una de las muestras tomadas durante la77experimentacin, que se ha estudiado de forma paralela a la del carbono orgnico total,para cada carga aadida al reactor. Se encuentra tambin recogido el valor de la suma detodos ellos expresados como concentracin de cido actico y como concentracin decarbono.Tabla 5.1.4.3. Evolucin de cidos orgnicos voltiles frente al tiempo. Carga: 1,50 g DQO de residuo.Carga aadida 1,50 g DQOTiempo(h)Actico(mg/L)Propinico(mg/L)Isobutrico(mg/L)Butrico(mg/L)Isovalrico(mg/L)Valrico(mg/L)Acidez Total(mg C2 /L)C-AOV(mg C /L)0,00 54,30 11,50 3,10 25,70 0,00 0,00 107,60 43,002,00 147,20 0,00 47,90 0,00 0,00 0,00 212,50 85,004,00 50,60 0,00 36,80 0,00 0,00 0,00 100,70 40,306,00 0,00 0,00 29,20 0,00 0,00 0,00 39,80 15,9024,00 0,00 0,00 5,20 0,00 0,00 0,00 7,00 2,80Tabla 5.1.4.4. Evolucin de cidos orgnicos voltiles frente al tiempo. Carga: 2,00 g DQO de residuo.Carga aadida 2,00 g DQOTiempo(h)Actico(mg/L)Propinico(mg/L)Isobutrico(mg/L)Butrico(mg/L)Isovalrico(mg/L)Valrico(mg/L)Acidez Total(mg C2 /L)C-AOV(mg C /L)0,00 53,30 9,70 1,10 6,10 0,00 0,00 74,90 30,002,00 152,20 25,00 3,10 8,30 0,00 0,00 198,10 79,205,00 96,30 40,40 3,50 9,60 0,00 0,00 163,20 65,308,00 39,20 19,60 1,90 0,00 0,00 0,00 65,70 26,3024,00 21,90 8,30 0,90 0,00 0,00 0,00 33,30 13,3078Tabla 5.1.4.5. Evolucin de cidos orgnicos voltiles frente al tiempo. Carga: 2,50 g DQO de residuo.Carga aadida 2,50 g DQOTiempo(h)Actico(mg/L)Propinico(mg/L)Isobutrico(mg/L)Butrico(mg/L)Isovalrico(mg/L)Valrico(mg/L)Acidez Total(mg C2 /L)C-AOV(mg C /L)0,00 52,60 25,20 4,60 23,10 0,00 0,00 120,90 48,402,00 263,30 38,20 43,20 2,00 0,00 0,00 371,30 148,507,00 159,40 31,60 58,00 19,10 0,00 0,00 303,00 121,209,00 80,00 33,60 10,30 0,00 0,00 0,00 135,00 54,0027,00 49,10 25,70 3,20 0,00 0,00 0,00 84,70 33,9048,00 35,30 8,00 2,60 0,00 0,00 0,00 48,70 19,5078,00 13,10 3,80 0,00 0,00 0,00 0,00 17,60 7,10Tabla 5.1.4.6. Evolucin de cidos orgnicos voltiles frente al tiempo. Carga: 3,00 g DQO de residuo.Carga aadida 3,00 g DQOTiempo(h)Actico(mg/L)Propinico(mg/L)Isobutrico(mg/L)Butrico(mg/L)Isovalrico(mg/L)Valrico(mg/L)Acidez Total(mg C2 /L)C-AOV(mg C /L)0,00 53,30 32,30 14,70 0,00 0,00 0,00 112,50 45,002,00 306,50 95,90 63,00 0,00 0,00 0,00 509,10 203,704,00 245,00 39,10 42,20 0,00 0,00 0,00 350,10 140,1019,00 62,10 11,50 3,70 0,00 0,00 0,00 81,10 32,4024,00 39,40 10,40 3,20 0,00 0,00 0,00 56,40 22,6079Tabla 5.1.4.7. Evolucin de cidos orgnicos voltiles frente al tiempo. Carga: 3,50 g DQO de residuo.Carga aadida 3,50 g DQOTiempo(h)Actico(mg/L)Propinico(mg/L)Isobutrico(mg/L)Butrico(mg/L)Isovalrico(mg/L)Valrico(mg/L)Acidez Total(mg C2 /L)C-AOV(mg C /L)0,00 47,30 16,30 0,00 0,30 0,00 0,00 67,40 27,002,00 250,20 56,20 7,60 80,70 0,00 0,00 439,00 175,604,00 304,60 64,20 16,00 181,40 0,00 2,40 655,30 262,107,00 82,40 127,50 2,10 7,00 0,00 0,00 249,90 100,0027,00 51,60 5,50 18,00 0,00 0,00 0,00 82,80 33,1048,00 42,00 4,00 2,60 0,00 0,00 0,00 50,50 20,20Tabla 5.1.4.8. Evolucin de cidos orgnicos voltiles frente al tiempo. Carga: 4,00 g DQO de residuo.Carga aadida 4,00 g DQOTiempo(h)Actico(mg/L)Propinico(mg/L)Isobutrico(mg/L)Butrico(mg/L)Isovalrico(mg/L)Valrico(mg/L)Acidez Total(mg C2 /L)C-AOV(mg C /L)0,00 69,70 17,90 4,00 40,20 0,00 0,00 151,90 60,701,00 50,00 97,40 23,40 58,10 0,00 0,00 279,60 111,903,00 101,10 222,60 50,20 100,60 0,00 0,00 577,50 231,007,00 194,00 134,20 124,70 6,80 0,00 0,00 536,60 214,6023,00 93,80 10,11 10,30 2,80 0,00 0,00 123,90 49,6052,00 69,60 8,00 4,80 2,00 0,00 0,00 88,50 35,4076,00 27,70 4,00 3,40 0,00 0,00 0,00 37,20 14,9080Tabla 5.1.4.9. Evolucin de cidos orgnicos voltiles frente al tiempo. Carga: 4,50 g DQO de residuo.Carga aadida 4,50 g DQOTiempo(h)Actico(mg/L)Propinico(mg/L)Isobutrico(mg/L)Butrico(mg/L)Isovalrico(mg/L)Valrico(mg/L)Acidez Total(mg C2 /L)C-AOV(mg C /L)0,00 35,30 12,70 32,30 2,00 0,00 0,00 97,50 39,003,00 220,20 124,60 6,60 0,00 0,00 0,00 380,70 152,306,50 249,40 312,40 0,00 0,00 0,00 0,00 629,40 251,709,50 277,80 267,20 39,40 0,00 0,00 0,00 656,50 262,6023,00 98,10 116,10 32,70 0,00 0,00 0,00 283,90 113,6027,00 40,50 16,20 12,20 0,00 0,00 0,00 76,80 30,7035,00 34,30 8,00 4,90 0,00 0,00 0,00 50,80 20,3045,00 24,60 5,60 2,90 0,00 0,00 0,00 35,40 14,20Tabla 5.1.4.10. Evolucin de cidos orgnicos voltiles frente al tiempo. Carga: 5,00 g DQO de residuo.Carga aadida 5,00 g DQOTiempo(h)Actico(mg/L)Propinico(mg/L)Isobutrico(mg/L)Butrico(mg/L)Isovalrico(mg/L)Valrico(mg/L)Acidez Total(mg C2 /L)C-AOV(mg C /L)0,00 34,90 22,40 13,60 0,00 0,00 0,00 80,70 32,302,00 143,00 26,80 88,20 0,00 0,00 0,00 295,90 118,404,00 151,40 28,40 167,70 0,00 0,00 0,00 414,6 165,8017,00 223,70 31,90 225,10 0,00 0,00 0,00 569,40 227,8022,00 174,60 27,00 162,10 0,00 0,00 0,00 428,50 171,4026,00 154,00 23,30 131,90 0,00 0,00 0,00 362,20 144,9030,00 90,90 23,60 81,60 0,00 0,00 0,00 230,90 92,3042,00 6,10 14,20 43,90 0,00 0,00 0,00 83,10 33,3081Captulo 6Discusin826.- DISCUSINLainformacinqueseharecogidodurantelaexperimentacinhapermitidoevaluar la biodegradabilidad del residuo. A continuacin se ha simulado elcomportamiento de las tres variables experimentales a travs de las que se ha seguido laevolucin del proceso: materia orgnica, cidos orgnicos voltiles y metano,proponiendo tres modelos matemticos que han simulado la depuracin anaerobia delresiduo.6.1.- ESTUDIO DE LA ESTABILIDAD DEL DIGESTORANAEROBIODado el elevado nmero de factores que afectan al proceso de digestinanaerobia, es importante comprobar que los experimentos se han realizado encondiciones estables durantetodos los ensayos. LaevolucinquehanseguidopH,alcalinidad, acidezvoltil ylarelacinAV/Alcenel reactor hansidolasvariableselegidas con este objetivo. Para ello se han tomado muestras en el instante inicial y finalde cada uno de los experimentos realizados, controlando dichas variables.En la figura 6.1.1. se representa la evolucin del pH y la alcalinidad a lo largo delaexperimentacinrealizada. Comosepuedeobservar, casi todoslosvaloresdepHobtenidos se encuentran comprendidos en un rango de pH entre 7,3 y 7,8 tomando unvalormediode7,5unidadesdepH. EstosvaloresdepHindicanqueel reactorestoperando en condiciones apropiadas para que la digestin anaerobia del residuoconduzca a la produccin de metano como componente mayoritario en el biogsproducido.En cuanto a la alcalinidad hay que comentar que, aunque el residuo aporta unaalcalinidadapreciable alreactorconcada experimento,esta variable seha mantenidodurantelaexperimentacin, alcanzandounvalormediode3220mgCaCO3/Lenlasmuestras analizadas durante la misma. Dicho valor se encuentra dentrode los lmitesaceptablesparael desarrollodeunadigestinnormal, tal comosehadescritoenlaintroduccin del presente trabajo.83STO (g DQO)0 1 2 3 4 5 6Alcalinidad(mgCaCO3/L)050010001500200025003000350040004500500055006000Valor medioSTO (g DQO)0 1 2 3 4 5 6pH6,06,57,07,58,08,59,0Valor medioFigura 6.1.1. Evolucin del pH y la alcalinidad para todas las cargas ensayadas.Del mismo modo en la figura 6.1.2. se muestra la evolucin de la acidez voltil yla relacin AV/Alc para todas las cargas ensayadas. Los valores de acidez voltil oscilanentre 200 y 900 mg cido actico/L. Aunque la acidez voltil no es demasiado elevada,con un valor medio de 400 mg cido actico/L, la evolucin de esta variable, creciendodesde los experimentos de cargas ms bajas hasta los de mayor carga realizados,muestra una tendencia a la acumulacin de acidez en el reactor si bien en ningn caso sealcanza el valor extremo de 2000 mg/L. La relacin acidez voltil/alcalinidad (AV/Alc)expresada en equivalentes toma valores desde 0.06 hasta 0.22, en el peor de los casos.Esta relacin se puede tomar como un parmetro indicativo del buen funcionamiento delreactor ya que se mantiene por debajo de valores de 0.3-0.4 asignados a unaacidificacin de los reactores (WPCF, 1967),sibien experimenta la misma tendenciacreciente que la acidez voltil al aumentar la carga, aproximndose a los valoresrecogidos en la bibliografa como indicativo de la acidificacin del reactor.84STO (g DQO)0 1 2 3 4 5 6AcidezVoltil(mgc.Actico/L)01002003004005006007008009001000STO (g DQO)0 1 2 3 4 5 6AV(eqactico)/Alc(eqCaCO3)0,000,050,100,150,200,250,30Figura 6.1.2. Evolucin de la acidez voltil y la relacin AV/Alc para todas las cargas ensayadas.856.2.- BIODEGRADABILIDAD DEL RESIDUO DETERMINADA ATRAVS DEL ESTUDIO DE LA PRODUCCIN DE METANO6.2.1.-Modelo cintico aplicado a la produccin de metano a partir delresiduo procedente del prensado de la cscara de naranjaEn la Introduccin, apartado 2.2., se ha puesto de manifiesto la complejidad delmecanismo de la digestin anaerobia. Un modelo cintico que incluya todas las etapasas como las constantes cinticas de las mismas sera extraordinariamente complejoyposiblemente carecera de utilidad prctica, por ello se propone utilizar un modelo tipocajanegraquehasidoutilizado, conxitoenocasionesanteriores(Edeline1980,Borja 1992, Borja 1995).Para concentraciones de sustrato (expresadas en g DQO/L) inferiores a 5,00 g/l(Borja 1995 ) la evolucin temporal de sustrato biodegradable puede representarse porla ecuacin diferencial de primer orden siguiente (Winkler 1983):X S KdtdSbb =[6.1]Separando variables e integrando con la hiptesis de que X permanece constantedadoel bajovalor del coeficientederendimiento-Yx/s ~ 0,02-0,06gSSV/gDQO-(Gujer 1983, Jeris 1983) se tiene:} } =||.|

\| t bbSStbbdt X KSdS) () ( 00( )( )t X KSSLnt bb =((

0[6.2]86El coeficiente de rendimiento para la conversindel sustrato biodegradable enmetano se define como:|.|

\| =dGdSYbCHSb4/[6.3]Integrando la expresin anterior se tiene:( ) ( )G Y S SCH S t b bb = 4/ 0[6.4]Si desaparece todo el sustrato biodegradable se tiene:( )m CH S bG Y Sb =4/0[6.5]Combinando las ecuaciones [6.2], [6.4] y [6.5] se obtiene la expresin:( )t X KG GGLnmm =((

[6.6]que permite relacionar el volumen acumulado de metano (G) con el tiempo (t), una vezque se conoce la concentracin del lodo (X) y la constante cintica (K).La ecuacin precedente se puede ordenar en la forma:( )t X Kme G G = 1[6.7]La concentracin de sustrato total (S) que es la que se determina usualmente deforma experimental bien al determinar la DQO, bien al determinar el COT - se puedeexpresar en la forma:b nbS S S + = [6.8]87Sustituyendo en la ecuacin [6.2] se tiene:( )( )t X KS SS SLnnb tnb =((

0[6.9]Unaecuacinalternativaala[6.9] enlaquelaconcentracindesustratosepresenta en forma explcita es:( )t X Knb nb te S S S S + =0[6.10]Delaecuacin[6.7]seobtieneunaexpresinparalavelocidadespecficadeproduccin de metano (rG):| |t X Km Ge K GdtdGXr =|.|

\||.|

\|=1[6.11]De manera anloga, a partir de la ecuacin[6.10], se obtiene la velocidadespecfica de consumo de sustrato biodegradable (bSr ):( )t X Knb nbbSe K S S S S KdtdSXrb = = |.|

\| |.|

\|=0) (1[6.12]Como ya se ha descrito en el apartado relativo a resultados experimentales, se hautilizado un digestor anaerobio en el que se han realizado varios experimentosconsecutivos con cargas crecientes en g de DQO de residuo. En las tablas 4.3.3.1. (cargaaadida 1 g DQO) y 5.1.2.1. a 5.1.2.8. se muestra la produccin de metano a lo largo deltiempoparalascargasde1,00; 1,50; 2,00; 2,50; 3,00; 3,50; 4,00; 4,50y5,00. Larepresentacin grfica de los datos contenidos en dichas tablas se presenta en las figuras6.2.1.1. a 6.2.1.9.88Tiempo (h)0 20 40 60G(NmLCH4)01002003004001 g DQO residuoG = 280[1-exp(-0,5167t)]Figura 6.2.1.1. Volumen acumulado de metano frente altiempo. Carga aadida: 1,00 g DQO.Tiempo (h)0 10 20 30 40 50 60G(NmLCH4)01002003004005006001,50 g DQO residuoG = 418[1-exp(-0,3917t)]Tiempo (h)0 10 20 30 40 50 60G(NmLCH4)01002003004005006001 carga 1,50 g DQO residuoG = 415[1-exp(-0,4111t)]2 carga 1,50 g DQO residuoG = 420[1-exp(-0,3867t)]Figura 6.2.1.2. Volumen acumulado de metano frente al tiempo. Carga aadida: 1,50 g DQO.89Tiempo (h)0 10 20 30 40 50 60G(NmLCH4)01002003004005006007008002,00 g DQO residuoG = 557[1-exp(-0,2618t)]Tiempo (h)0 10 20 30 40 50 60G(NmLCH4)01002003004005006007008001 carga 2,00 g DQO residuoG = 552[1-exp(-0,2782t)]2 carga 2,00 g DQO residuoG = 564[1-exp(-0,2465t)]Figura 6.2.1.3. Volumen acumulado de metano frente al tiempo. Carga aadida: 2,00 g DQO.Tiempo (h)0 10 20 30 40 50 60G(NmLCH4)01002003004005006007008002,50 g DQO residuoG = 701[1-exp(-0,2194t)]Tiempo (h)0 10 20 30 40 50 60G(NmLCH4)01002003004005006007008001 carga 2,50 g DQO residuoG = 666[1-exp(-0,2333t)]2 carga 2,50 g DQO residuoG = 733[1-exp(-0,2103t)]Figura 6.2.1.4. Volumen acumulado de metano frente al tiempo. Carga aadida: 2,50 g DQO.90Tiempo (h)0 10 20 30 40 50 60G(NmLCH4)010020030040050060070080090010003,00 g DQO residuoG = 857[1-exp(-0,1763t)]Tiempo (h)0 10 20 30 40 50 60G(NmLCH4)010020030040050060070080090010001 carga 3,00 g DQO residuoG = 894[1-exp(-0,1564t)]2 carga 3,00 g DQO residuoG = 828[1-exp(-0,1984t)]Figura 6.2.1.5. Volumen acumulado de metano frente al tiempo. Carga aadida: 3,00 g DQO.Tiempo (h)0 10 20 30 40 50 60G(NmLCH4)0200400600800100012003,50 g DQO residuoG = 950[1-exp(-0,1550t)]Tiempo (h)0 10 20 30 40 50 60G(NmLCH4)0200400600800100012001 carga 3,50 g DQO residuoG = 946[1-exp(-0,1558t)]2 carga 3,50 g DQO residuoG = 956[1-exp(-0,1535t)]Figura 6.2.1.6. Volumen acumulado de metano frente al tiempo. Carga aadida: 3,50 g DQO.91Tiempo (h)0 10 20 30 40 50 60 70G(NmLCH4)0200400600800100012004,00 g DQO residuoG = 1091[1-exp(-0,1084t)]Tiempo (h)0 10 20 30 40 50 60 70G(NmLCH4)0200400600800100012001 carga 4,00 g DQO residuoG = 1128[1-exp(-0,1175t)]2 carga 4,00 g DQO residuoG = 1084[1-exp(-0,0915t)]Figura 6.2.1.7. Volumen acumulado de metano frente al tiempo. Carga aadida: 4,00 g DQO.Tiempo (h)0 10 20 30 40 50 60G(NmLCH4)02004006008001000120014004,50 g DQO residuoG = 1166[1-exp(-0,1261t)]Tiempo (h)0 10 20 30 40 50 60G(NmLCH4)02004006008001000120014001 carga 4,50 g DQO residuoG = 1175[1-exp(-0,1173t)]2 carga 4,50 g DQO residuoG = 1157[1-exp(-0,1380t)]Figura 6.2.1.8. Volumen acumulado de metano frente al tiempo. Carga aadida: 4,50 g DQO.92Tiempo (h)0 10 20 30 40 50 60 70 80G(NmLCH4)02004006008001000120014005,00 g DQO residuoG = 1343[1-exp(-0,0512t)]Tiempo (h)0 10 20 30 40 50 60 70 80G(NmLCH4)02004006008001000120014001 carga 5,00 g DQO residuoG = 1266[1-exp(-0,0787t)]2 carga 5,00 g DQO residuoG = 1443[1-exp(-0,0408t)]Figura 6.2.1.9. Volumen acumulado de metano frente al tiempo. Carga aadida: 5,00 g DQO.Si se tiene en cuenta la