Digestión Anaerobia: Tecnología fundamental para la transformación de

desechos orgánicos en recursos aprovechables

Adalberto Noyola

Instituto de Ingeniería

Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM)

Simposio Internacional sobre Digestión Anaerobia

UNAM 6 de marzo 2013

América Latina y el Caribe (ALyC)

563 millones de habitantes (8.5% pob. mundial)

PIB extremos

Agua potable para 85 % de su población (84 millones carentes)

Saneamiento para 78 % de su población (124 millones carentes)

Tratamiento de aguas residuales del orden del 20%

El 54% de los residuos sólidos municipales van a relleno sanitario. El 23 % se dispone en tiraderos no controlados

El Saneamiento en ALyC Elementos técnicos de diagnóstico en aguas residuales

Saneamiento para el 78% de la población

48% alcantarillado

30% letrinas o tanques sépticos

Tecnologías convencionales en su gran mayoría

Lagunas de estabilización (++++)

Lodos activados (+)

Resistencia a la aceptación de tecnologías adaptadas

Medio conservador

Dominio de empresas transnacionales

Los Retos del Saneamiento

Población fuertemente urbana: 74% Sistemas de A y S débiles y usuarios sin cultura de pago

Calidad y disponibilidad de agua en reducción Escasez de agua en varias regiones

Reuso en agricultura (1,300,000 ha) Reuso urbano e industrial creciente

Nuevas formas de abordar los retos

Innovadoras Adaptadas Lo financiero, lo administrativo, lo tecnológico Integrales (Gestión Integrada de Recursos Hídricos GIRH)

Orígen del metano atmosférico

Fuentes de emisiones de metano Contribución (%)

Producción de energía (gas natural) 26

Fermentación entérica 24

Cultivo de arroz 17

Rellenos sanitarios 11 *

Quemado de biomasa 8

Desechos 7 *

Aguas residuales municipales 7 *

* Suma de residuos: 25 %

IPCC (1994)

Las Herramientas Tecnológicas

La materia no se destruye, solo se transforma

* la inevitabilidad de los subroductos y residuos

* integrar un sistema completo

El mejor tren de tratamiento

* con el máximo de economía y el mínimo de

complejidad, alcanza la calidad de agua requerida

Las principales causas de la ineficiencia de las plantas

* Abandono por altos costos de operación

* Sistema impuesto al organismo responsable de la operación

* Decisiones de corto plazo

El tratamiento de aguas residuales Considerandos:

Tecnologías adaptadas

Subconjuntos Por densidad de población (urbana y rural)

Por clima (zonas cálidas y templadas/frías)

Por grado de mecanización

Aprovechar la biodiversidad y las condiciones climatolólogicas de ALyC Procesos anaerobios y naturales

Principales procesos de tratamiento biológico de

aguas residuales

LODOS ACTIVADOS (SELECTOR)

REACTOR DE LECHO DE LODOS DE

FLUJO ASCENDENTE (UASB) (1)

FILTRO SUMERGIDO

DISCO BIOLÓGICO ROTATORIO LECHO FLUIDIFICADO

BIOMASA

SUSPENDIDA

BIOMASA

FIJA

ANOXICOS

LODOS ACTIVADOS (ver recuadro)

LAGUNAS AERADAS LAGUNAS DE OXIDACIÓN

LAGUNAS DE ALTA TASA

NITRIFICACIÓN

FILTRO PERCOLADOR DISCO BIOLÓGICO ROTATORIO FILTRO SUMERGIDO LECHO FLUIDIFICADO

BIOMASA

SUSPENDIDA

BIOMASA FIJA

AEROBIOS

FLUJO PISTON

COMPLETAMENTE MEZCLADO

AERACIÓN EXTENDIDA AERACIÓN POR ETAPAS AERACIÓN EN DISMINUCIÓN

ALTA TASA CONTACTO-ESTABILIZACIÓN OXÍGENO PURO

VARIANTES DE

LODOS ACTIVADOS

LAGUNAS FACULTATIVAS COMBINADOS

LAGUNAS ANAEROBIAS CONTACTO ANAEROBIO REACTOR DE LECHO DE LODOS DE

FLUJO ASCENDENTE (UASB) (1)

REACTOR DE LECHO GRANULAR

EXPANDIDO (EGSB) (1)

FILTRO ANAEROBIO

LECHO FLUIDIFICADO

BIOMASA

SUSPENDIDA

BIOMASA

FIJA

ANAEROBIOS

(1) Los reactores UASB y EGSB son

estrictamente sistemas de biomasa suspendida,

aunque pueden clasificarse como biomasa fija,

gracias a la granulación del lodo y su retención

BIOLÓGICO ¿AEROBIO O ANAEROBIO?

Debate

* respuesta clara en efluentes industriales

* permanece en aguas residuales municipales

Anaerobio

* menor costo de operación

(energía, lodos, complejidad)

* menor calidad de agua tratada y olores

Aerobio

* inverso de lo anterior

Complementarios en muchos casos (anaerobio + aerobio)

Flujo de energía (DQO) en los procesos biológicos

aerobia

100 %

(DQO)

materia

orgánica

anaerobia

células

células

CH4 + CO2

energía

disipada

H2O + CO2

( 90 % )

( 10 % )

( 35 % )

( 65 % ) O2

FOSA SÉPTICA TANQUE IMHOFF LAGUNA ANAEROBIA

DIGESTOR COMPLETAMENTE

MEZCLADO

CONTACTO

ANAEROBIO

DIGESTOR

CONVENCIONAL

Reactores anaerobios de primera generación

REACTOR TUBULAR DE

PELÍCULA FIJA

REACTOR DE LECHO DE

LODOS (UASB)

FILTRO

ANAEROBIO

Reactores anaerobios de segunda generación

REACTOR DE LECHO GRANULAR

EXPANDIDO (EGSB) CON RECIRCULACION INTERNA

REACTOR DE LECHO EXPANDIDO

O FLUIDIFICADO

Reactores anaerobios de tercera generación

Anaerobic treatment for domestic sewage

First attempts: Septic tanks (late XIX century)

Imhoff tanks; Anaerobic ponds

Clarigester (South Africa, 1950’s)

Recent comeback: High rate anaerobic reactors for industrial WW

Adaptation to domestic sewage

UASB (Cali, 1983), RALF (Paraná, 1982)

limited applications of AF, EB

Inventario de Tecnologías de Tratamiento en AL y C:

Metodología

Recopilación de información a

cargo de un consultor en cada país seleccionado.

Inventario de información para una

muestra de PTAR /país, de acuerdo con:

- Categorización de ciudades por tamaño

de población.

-Tipo de formato de información a aplicar:

a) Formato general

b) Formatos específicos:

- Calidad del agua residual

-Lodos, biosólidos y residuos sólidos

- Emisiones y control de olores

- Costos

Información documental publicada

por las dependencias, entidades y organismos operadores.

Processes applied for wastewater treatment in selected countries

Distribution per technologies

The 3 most used technologies, count

for 80% of the total sample of WWTP

• The septic tank was not considered as technology for the treatment • * 199 WWTP that reported combined processes (two technologies) were counted independently.

0

200

400

600

800

1000

12001106

760

493

140 137 125 84 54

18 10 6 No

. o

f in

sta

lle

d t

ec

hn

olo

gie

s

Technologies

(38%)*

(26%)*

(17%)*

Mexico: 1684 WWTP Brazil: 854 WWTP Chile: 178 WWTP Colombia: 141 WWTP Guatemala:43 WWTP Dominican Republic: 33 WWTP TOTAL: 2933 WWTP* (sample size 2734 facilities)

Noyola et al. (2012)

0

10

20

30

40

50

60

70S

tab

iliz

ati

on

po

nd

Act

iva

ted

slu

dge

UA

SB

Wet

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Tri

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SB

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Tri

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Aer

ate

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d

Brazil Chile Colombia Guatemala Dominican Republic Mexico

Po

rc

en

tag

e (

%)

Processes applied for wastewater treatment in selected countries Distribution per countries

Noyola et al. (2012)

0

20

40

60

80

100

120104.1

27.1

16.1 14.2

10.3 6.4

0.9 0.7 0.4 0.4 0.3

Technologies

Ac

cu

mu

late

d t

re

ate

d f

low

(m

3/s

)

(9%)

(58%)

(15%)

Processes applied for wastewater treatment in selected countries

Treated flow per type of technology

Noyola et al. (2012)

Biológico o físicoquímico (TPA)?

Debate nuevo

Fisicoquímico

* adición de químicos

* separa la materia orgánica suspendida y coloidal, sin

transformarla (producción de lodos putrescibles)

* monto de inversión bajo, costo de operación alto

Biológico

* menores necesidades de insumos

* transforma y separa la materia orgánica, incluida la

fracción soluble (menor producción de lodos)

* monto de inversión alto, costo operación menor

Tratamiento

primario avanzado

(TPA)

Lodos

Digestión

Anaerobia

Reactivos químicos

Tratamiento primario avanzado (TPA)

Enhanced Primary Treatment (CEPT)

Estabilización

con cal

Reactivos químicos

Características del TPA

•Incremento en la remoción de sólidos suspendidos y

coloides (vs. sedimentación primaria)

•Adición de reactivos químicos

•Instalaciones compactas

•Alta producción de lodos putrescibles (primarios)

•Bajo costo de inversión

•Alto costo de operación

El TPA está ganando aceptación en grandes ciudades de

América Latina

Ciudad Juárez Norte: 2.5 m3/s

Sur: 1 m3/s

San Luis Potosí 1 m3/s

Culiacán 1.7 m3/s

Puebla 1.1 m3/s

Plantas de TPA recientes en México

TPA: fábrica de lodos

Nuevas soluciones a un viejo problema

Los antecedentes y la situación actual exige soluciones:

* integrales

* efectivas

* multidisciplinarias

* con criterios sustentables

* de corto y mediano plazo

Un manejo del agua integral, adaptado, innovador

…..y con participación social

Por una tecnología más sustentable

Características deseables de un proceso de tratamiento Ahorra y optimiza (menores necesidades de insumos)

Recicla, no agota (minimiza residuos y genera subproductos)

Integra (sistema “sin cabos sueltos”)

Perdura (esquema tecnológico - administrativo - financiero adecuado, compatible con su entorno social y ambiental)

¿Paradigma inalcanzable?

Condiciones aerobias

Condiciones anóxicas: Reducción de nitratos (desnitrificación)

Condiciones anaerobias: Reducción de sulfatos

Condiciones anaerobias: Reducción de CO2 (metanogénesis hidrogenotrófica)

Condiciones anaerobias: metanogénesis acetotrófica

0666 2226126 HCOOOHC

OHONHNO 2223 5.222

222

2

43 222 COOHSHHSOCOOHCH

OHCHCOH 2422 24

243 COCHCOOHCH

Reacciones bioquímicas de interés en tratamiento de residuos orgánicos

+500

+400

+300

+200 +100

0

-100

-200

-300 -400

-500

REDOX

(mV) CONDICIONES

AEROBIAS

ANÓXICAS

ANAEROBIAS

PROCESOS

Nitrificación Oxidación de

C orgánico

Desnitrificación

Reducción de

sulfatos Ácidogénesis y

Acetogénesis

metanogénesis

Potencial RedOx para reacciones bioquímicas en

tratamiento de aguas residuales

Diagrama del flujo de la energía de la

digestión anaerobia

MATERIA ORGÁNICA

PROTEÍNAS CARBOHIDRATOS LÍPIDOS

ÁCIDOS

GRASOS

HIDRÓGENO ACETATO

METANO

PRODUCTOS INTERMEDIOS

Propionato, Butirato

HIDRÓLISIS

FERMENTACIÓN

OXIDACIÓN

ANAEROBIA

ACETOTRÓFICAS HIDROGENOFÍLICAS

AMINOÁCIDOS

AZUCARES

La diferencia anaerobia

Agua residual

Efluente (+)

X biomasa

Energía requerida

1 kWh/kg DQO rem

Aerobio

Agua residual

Efluente (-)

0.2X biomasa

Producción de biogás

3 kWh/kg DQO rem

1 kWh/kg DQO rem

Anaerobio

Reactores UASB en Brasil

UASB tipo RALF

(100 l/s)

UASB convencional

(70 l/s)

UASB Atuba Sul (Curitiba)

(1460 l/s)

UASB Onça (Belo Horizonte)

(2000 l/s)

UASB at Brazil (MG): 2 m3/s

UASB at Brazil (MG): 2 m3/s

Post treatment with trickling filter in Brazil (MG): 2 m3/s

UASB and trickling filter in Brazil (PR): 1 m3/s

Comparison of five mitigation scenarios for

municipal WWTP in Mexico

7,000

9,000

11,000

13,000

15,000

1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030

Escenario Base Escenario A2030 Escenario B1 Escenario B2 Escenario B3 B4 EB

WA Mexican Water Agenda

Base scenario Mexican Water

Agenda 2030 WA 1 WA 2 WA 2z WA 2e

34%

23%

14%

10%

Base

6%

Year

Gg

of

CO

2 e

q

Lodos y otros residuos

La digestión anaerobia en el terreno de los residuos sólidos

Digestión de lodos de plantas de tratamiento

Digestión de residuos sólidos orgánicos (fracción orgánica de RSM; estiércoles): digestión anaerobia “seca”

Codigestión de lodos y residuos sólidos

Estabilización acelerada de rellenos sanitarios

Aprovechamiento de biogás en rellenos sanitarios

Tratamiento convencional de aguas residuales

•El lodo es un residuo del tratamiento de aguas residuales.

•Un lodo primario contiene del 3 al 6 % de sólidos

•Un lodo secundario contiene del 0.5 al 1 % de sólidos

•Biosólidos: Lodos que han sido sometidos a procesos de estabilización y que por su contenido

de materia orgánica, nutrientes y características adquiridas después de su estabilización,

pueden ser susceptibles de aprovechamiento

Influente

de agua

residual

Sedimentador

primario Tanque de aeración

Tratamiento

preliminar

Tratamiento

primario

Tratamiento

secundario

Desinfección

Tratamiento

de lodos

Lodos de desecho

Efluente

Lodo

estabilizado

(Biogás)

Sedimentador

secundario

Espesador

Residuos

Tratamiento de los lodos de desecho

El lodo está compuesto en su mayoría por agua, contiene un bajo porcentaje de materia sólida.

La proporción de materia orgánica en los sólidos de los lodos está entre el 70 y 80 %.

Los procesos convencionales para el tratamiento de lodos residuales son: Espesamiento

Estabilización

Acondicionamiento

Deshidratación

Secado

Reducción térmica

Química

Biológica

Cal

*Compostaje

* Digestión

aerobia

anaerobia

Estabilización

ESTABILIZACIÓN CON CAL. Eleva el pH por encima de 12 alcanzando 70

C.

COMPOSTEO. Reacción exotérmica en presencia de oxígeno del lodo mezclado con un material abultante.

DIGESTIÓN AEROBIA. Proceso que consiste en degradar la materia orgánica en presencia de oxígeno. Mesofília y termofília.

DIGESTIÓN ANAEROBIA. Proceso de degradación que convierte materia orgánica en metano y dióxido de carbono en ausencia de oxígeno. Mesofília y termofília.

Tipos de digestores

Cámara de gas

Gas

Influente

Intercambiador

de calor

Efluente

Influente

Gas

Cámara de gas

Capa de espuma

Sobrenadante

Digestión de lodos

Lodos digeridos

Efluente

Purga

Digestor de baja tasa Digestor de alta tasa

Geometría de digestores

Geometría americana

Geometría en forma de huevo

Geometría europea

Geometría clásica

Tanques de forma ovoide:

Digestión anaerobia de estiércol y residuos agrícolas

La digestión anaerobia de diversos materiales orgánicos, como el

estiércol, ha sido desarrollada como un sistema para la generación

de gas metano.

Estos procesos se conocen desde 1895, en Inglaterra, donde se usaron

para el alumbrado público.

También fueron utilizados durante y después de la segunda guerra

mundial por países como Alemania, Francia y Argelia, donde el metano producido fue utilizado como combustible para automóviles.

Por el número de digestores rurales, la India y China se encuentran

en el primer plano, siendo países que han logrado integrar esta

tecnología con los procesos de producción agrícola y ganadera

tradicionales.

Tendencias actuales de la digestión anaerobia de

Lodos, residuos agrícolas y diversos orgánicos

Agua residual

Estiércoles

Desechos sólidos

de industria

alimentaria

Lodos biológicos

Hortalizas

Residuos

biogénicos

Fertilizantes

1. Incrementando la

digestibilidad del residuo.

2. Optimizando la

configuración de los

reactores y del proceso

3. Optimizando el control y

estabilidad del proceso

4. Haciendo más eficiente el

proceso metabólico

microbiano

1. Inactivación de patógenos

2. Control de contaminantes

químicos

DIGESTIÓN ANAEROBIA

Más biogás

B: Optimización de la calidad

del efluente

A: Optimización de la

producción del biogás

45

Los procesos anaerobios,

no requieren presencia de aeradores (-$)

maneja cargas orgánicas altas

ocupan poco espacio producen gran cantidad de biogás

producen poca biomasa.

Procesos biológicos de tratamiento de AR

Procesos

biológicos para el

tratamiento de

aguas residuales

AEROBIOS

ANAEROBIOS

Producción de H2

Variante sustentable para manejo de residuos

orgánicos

Comentarios finales

La vía anaerobia es una opción sustentable para el tratamiento y aprovechamiento de residuos orgánicos Bajo consumo de energía Productora neta de energía

Menores factores de emisión de GEI (con manejo adecuado de biogás)

En aguas residuales industriales y lodos es una opción probada, así como

en residuos ganaderos En aguas residuales municipales, la vía anaerobia tiene el inconveniente

del metano disuelto que puede liberarse a la atmósfera

Incipiente como tecnología para manejo de residuos sólidos orgánicos

Aún falta camino por recorrer para que esta opción sea aceptada en forma generalizada

Las políticas de mitigación de GEI pueden favorecer la aceptación de la tecnología

Muchas Gracias!

CONDICIONES OPTIMAS AMBIENTALES Y DE OPERACIÓN

DURANTE LA DIGESTION ANAEROBIA DE LODOS DE PURGA

VARIABLE ÓPTIMO INTERVALO

pH

Potencial óxido-reducción (mV)

Acidos volátiles (mg/l de ácido acético)

Alcalinidad

Temperatura: Mesófila

Termófila

Tiempo de retención hidráulica (días)

Composición del gas

Metano (CH4)(%v) Dióxido de carbono (CO2)(%v)

6.8 - 7.4

-520 a –530

50 – 500

1500 – 3000

30 – 35oC

40 - 56

C

10 - 15

65 – 70 30 – 35

6.4 – 7.8

-420 a –550

1000 – 5000

20 – 40 oC

45 – 60 oC

7-30

60 – 75 25 – 40

Costos de inversión y operación para diversos

procesos de tratamiento

Tipo Tratamiento Calidad

de agua

Inversión

US$/per

capita

%

respecto

Lodo Act

Operación

US$/m3

%

respecto

Lodo

Act

UASB ++ 30-40 40 0.025 20

Lodo Activado ++++ 80-100 100 0.12 100

Primario Avanzado + 40-50 50 0.06 50

UASB+laguna +++ 42-52 52 0.03 25

UASB+filtro

percolador

+++ 55-65 65 0.04 35

UASB+filtro aireado ++++ 65-75 75 0.07 60

UASB+flotación

DAF

+++ 40-50 50 0.06 50