TRATAMIENTO ANAEROBIO POR METANOGÉNESIS UNIDAD 4

TRATATAMIENTO ANAEROBIO POR METANOGÉNESIS

Methanopyrus, Arquea metanógena

La Metanogénesis es un proceso anaerobio en el que los equivalentes de electrón de materia orgánica (BODL) se utilizan para reducir al carbono a su estado de oxidación más reducido (-4), en metano (CH4).

CO2 + 4 H2 → CH4 + 2H2O (formación de metano por reducción del CO2)

CH3COOH → CH4 + CO2 (formación de metano a partir de moléculas orgánicas)

Los organismos capaces de realizar la metanogénensis se llaman metanógenos. Los microbios que realizan la metanogénesis no tienen núcleo ni orgánulos separados por membranas (es decir, son procariotas). Los metanógenos son un grupo muy antiguo de organismos, miembros de las arqueobacterias (o arqueas).

El metano es un gas escasamente soluble que se desprende del agua. Así la BOD L se elimina del agua dirigiendo equivalentes de electrón a CH4 resultado conocido como estabilización residual.

Cada mol de CH4 contiene 8 equivalentes de electrón o 64g de BODL o COD. A presión y temperatura estándar cada mol de metano tiene 22,4 L. De esta forma cada gramo de BOD L estabilizada genera 0,35L de gas metano a STP.

Aunque la comunidad microbiana en un proceso de metanogénesis es normalmente bastante compleja, contiene siempre metanógenos, único grupo de Archaea que produce metano. Dado que para que exista un proceso de metanogénesis debe haber presentes metanógenos, sus características fisiológicas son críticas.

A continuación se muestran los parámetros genéricos que caracterizan los dos grupos de metanógenos: los fermentadores de ácido acético y los oxidantes de hidrógeno.

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Estos valores genéricos muestran que los metanógenos son m.o. de crecimiento lento, que requieren tiempos de retención de sólidos relativamente largos. Por ejemplo un factor de seguridad mínimo de 5 requiere un θx de diseño de 20 d para metanógenos fermentadores de ácido acético. La relación subraya que todos los electrones presentes originalmente en el BOD de entrada deben ser canalizados para acetato, H2 o formiato. Para llevar a cabo estas reacciones deben encontrarse presentes otros m.o. pero los fundamentales son los metanógenos de crecimiento lento.

USOS DEL TRATAMIENTO POR METANOGÉNESIS.

Se utiliza mucho en la estabilización de lodos de aguas residuales municipales y de residuos sólidos municipales.

Se emplea también la fermentación con metano de aguas residuales industriales de alta resistencia. (aplicaciones por debajo del potencial existente, por falta de experiencias, toxicidad excesiva, poca fiabilidad del proceso y fuerte regulación)

Puede usarse para tratar aguas residuales más diluidas, como las domésticas (especialmente en lugares de climas templados)

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En el mundo desarrollado no se emplea el tratamiento de residuos debido a la existencia de otras tecnologías en uso (lodos activos) y los estándares de efluentes son estrictos.

En procesos de alimentos y de fermentación.

La química y la microbiología del tratamiento anaerobio son más complejas que las del tratamiento aerobio por lo que requieren conocimientos más profundos por parte de los operadores. A continuación se muestra una tabla que contiene las ventajas e inconvenientes del tratamiento anaerobio.

Ventajas 1. Baja producción de residuos sólidos biológicos.2. Bajo requerimiento de nutrientes.3. El metano es un producto final muy útil.4. Generalmente genera energía.5. Es posible una carga orgánica elevada.

Desventajas1. Crecimiento lento de m.o.2. Desprendimiento de olor.3. Requerimientos más elevados de regulador para controlar el pH.4. Escasa eficiencia de eliminación con residuos sólidos.

CONFIGURACIONES DE REACTOR

Mezcla Completa: Representa el sistema de tratamiento anaerobio básico que se ha utilizado para lodos municipales desde que el primer digestor anaerobio calefactado se construyó (1927-planta de Essen). La calefacción de digestores con el gas metano producido a temperatura mesofílica óptima (35°C) se emplea en la mayoría de plantas municipales de aguas residuales. Los tiempos de retención actuales son de 15 a 25d muy por encima de los tiempos de retención límite de 4d.Los primeros diseños no tenían mezclado, lo que originaba dos problemas: el primero debido a que el lodo reciente y los m.o. fermentadores no entraban eficazmente en contacto; segundo, los sólidos más densos como la grava y arena tienden a sedimentar en el reactor reduciendo el volumen del reactor.

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Los lodos municipales primarios y secundarios que llegan al digestor del lodo anaerobio tienen concentraciones de sólidos totales de 2,5 a 15% con un tiempo de retención de alrededor de 20d; la carga orgánica a un digestor con buen mezclado del tipo de reactor de tanque de agitación continua es de 1-4kg de COD biodegradable/d y m3 de volumen del digestor.Un inconveniente del tratamiento anaerobio con un CSTR es que sólo se obtienen una carga alta por unidad de volumen con corrientes residuales bastante concentradas (COD de 8000 a 50000mg/l)

Contacto Anaerobio:

El proceso de contacto anaerobio es análogo al sistema de lodo activo aerobio. (Concentraciones diluidas de COD-1300mg/l). Tiene añadido un tanque de sedimentación y volviendo a reciclar al reactor de biomasa, consiguiendo tiempos de retención hidráulico de alrededor de 0,5d considerablemente menor que los metanógenos acetoclásticos. Con cargas de 2-2,5kg/m3 se eliminaron BOD entre el 91 -95%.Tiene el inconveniente de la formación de biosólidos debido a la ascensión de burbujas y a la fijación al tanque de sedimentación

Lechos de Relleno de Flujos Ascendente y Descendente: El proceso de lecho de relleno de flujo ascendente conocido también como filtro anaerobio (desarrollado en década de 60’s) es similar a un sistema de filtro percolador en el que originalmente se emplea un medio rocoso para que se adhieran los biosólidos.

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El filtro anaerobio se utilizó para tratar suatratos solubles con COD entre 375 y 12000mg/L con tiempos de retención de 4 a 36horas. El primer modelo se construyó para tratar aguas residuales cargadas de gluten de almidón con COD de 8800mg/L.El filtro anaerobio es excelente para retener biosólidos y su aplicación está muy difundida, El único problema que suele aparecer es la obstrucción por biosólidos, sólidos en suspensión en el afluente y minerales precipitados, por tal motivo funcionan mejor con aguas con cargas no muy elevadas de sólidos en suspensión.Una alternativa al reactor de lecho de relleno de flujo ascendente es el lecho de relleno de flujo descendente las ventajas de éste último son sutiles por ejemplo los sólidos tienden a acumularse más cerca de la superficie donde las concentraciones de sustrato y el crecimiento biológico son mayores.

Esto puede facilitar la eliminación de sólidos de arriba por la recirculación de gas. Otra ventaja del flujo descendente es que los sulfuros producidos mediante reducción de sulfatos pueden eliminarse del líquido en la parte alta de la torre, la población reductora de sulfuros reside en la parte alta, mientras que los metanógenos residen en la parte más baja. El H2S puede ser tóxico para los metanógenos y se puede contrarrestar eliminándolo antes del contacto con los metanógenos. Por otra parte el flujo

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descendente especialmente con medio plástico puede perder mayor cantidad de biosólidos en el efluente.

Lechos Fluidizados y Expandidos: El reactor anaerobio de lecho fluidizado es un sistema único concebido originalmente para eliminar nitratos de aguas residuales por medio de desnitrificación biológica sin embargo también es adecuado para el tratamiento por metanogénesis de aguas residuales.El reactor de lecho fluidizado contiene un medio pequeño como arena o carbón activado en gránulos al que se adhieren las bacterias. Normalmente una parte del efluente se vuelve a reciclar en el afluente para mantener alta la velocidad de ascensión incluso cuando los caudales de agua residual son bajos.

El elevado caudal alrededor de las partículas crea una buena transferencia de materia de la materia orgánica disuelta del líquido sin tratar a las superficies de las partículas. Los poros grandes quieren decir que es mucho menor la obstrucción y el cortocircuito del flujo a través del reactor que en los sistemas de lecho de relleno.Una desventaja en los lechos Fluidizados es la dificultad de desarrollar biosólidos bien adheridos que contengan la mezcla correcta de metanógenos. La abrasión entre partículas y el esfuerzo de corte del fluido aumentan las tasas de desprendimiento de los m.o. expuestos al entorno exterior del portador. Otro inconveniente posible surge cuando se necesita un flujo elevado de reciclado para mantener la fluidización del lecho. Por otra parte el flujo reciclado diluye la concentración del sustrato cerca de la entrada y reduce las ventajas de un régimen de líquido en flujo pistón; las altas tasas de reciclado significan costes de energía. Finalmente la falta de fluidización en un periodo largo en caso de fallar la energía puede causar inestabilidad en el proceso. La pérdida de portadores o de película fija puede producirse si la refluidización es repentina.Una ventaja considerable en la utilización de carbón activado granular como medio de soporte en el tratamiento de aguas residuales que contienen materias tóxicas pero absorbibles como los fenoles. Los compuestos adsorbidos se desorben y biodegradan una vez que se vuelven a las condiciones normales.El reactor anaerobio de lecho expandido es una variación del reactor de lecho fluidizado, la diferencia es que la velocidad de flujo ascendente del fluido a través del reactor de lecho expandido no se mantiene tan alta como en el de lecho fluidizado por ello no se produce la fluidización total del lecho. La ventaja de esta fluidización parcial es la mejor captura de los sólidos y no necesita una tasa alta de reciclado.El inconveniente sería que la transferencia no es tan buena como en el lecho fluidizado y son más probables las obstrucciones y el cortocircuito y que por la abrasión el desprendimiento puede ser mayor.

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Colchón de Lodo Anaerobio de Flujo Ascendente (UASB): Este reactor diseñado por Lettinga (1979) ha encontrado gran aplicación en el tratamiento de aguas residuales industriales y se lo usa también para tratar aguas residuales municipales relativamente diluidas. Es similar al reactor Clarigester usado en tratamiento de aguas residuales de bodegas (Stander- 1966).La principal diferencia de los reactores de Stander y Lettinga está en el método para separar los biosólidos de la corriente efluente.El de Stander tienen un tanque de sedimentación en forma de embudo encima del reactor, el agua residual que sale y parte de los sólidos en suspensión pasa hacia arriba por el orificio del embudo en la mitad del tanque de sedimentación y vuelve al reactor a través del mismo orificio. El gas producido en el proceso pasa hacia arriba por los laterales del embudo. El retorno de sólidos funcionó pero era el cuello de botella del reactor.

El de Lettinga utiliza también una especie de embudo superior aunque en este caso el embudo se invierte y el agua residual pasa por el exterior de los bordes del embudo en lugar de hacerlo por en medio. Este paso por el borde del líquido proporciona un área mucho mayor para el efluente disminuyendo las velocidades ascendentes y se intensifica la retención de sólidos en el reactor siendo más eficiente.Stander determinó que su proceso mejoraba su funcionamiento con el tiempo y llamó a ese efecto maduración. Lettinga más tarde descubrió un fenómeno relacionado con esa maduración que era la formación de gránulos (partículas compactas esféricas de color blanco-grisáceo de aprox. 0,5 mm de diámetro) después de varias semanas de funcionamiento del reactor.La formación de gránulos depende de las características de la corriente residual, carga de sustrato y condiciones de funcionamiento como la velocidad de flujo ascendente.Muchos sistemas USAB se usan con éxito en aguas residuales de industrias de alimentos, papeleras y químicas. La carga típica de diseño es de entre 4-15 kgCOD/m3d.

Reactores Anaerobios Diversos

Reactor Deflector: es una serie de reactores conectados de forma que el agua residual de mueve alternativamente de forma ascendente y descendente, cada vez que el agua residual se mueve hacia arriba pasa a través de una cámara de cochón de lodo parecida a la del reactor UASB. Cuando el agua residual sale de la cámara de colchón de lodo por arriba se dirige por un deflector al fondo de la cámara siguiente. Puede añadir una cámara de eliminación de biosólidos al final y devolverlos al inicio. Ofrece algunas ventajas como la recuperación de biosólidos. Aunque no se han construido deflectores a nivel industrial.

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Reactor de colchón de lodo horizontal: el agua residual fluye a través de una aleta larga y flexible hecha de caucho. Su carga volumétrica es similar a la del reactor UASB. Su ventaja es su simplicidad y falta de estructuras. Su problema en cambio es la acumulación de sólidos que conduce a cortocircuitos y funcionamiento deficiente.

Filtro Percolador de lecho percolado de dos etapas: surgió del interés de convertir biomasa (serrín, paja de trigo, pienso de ganado, lignocelulosa) en metano para fuente de energía. La limitante de la conversión a metano de la biomasa, es la hidrólisis de la celulosa contenida en una matriz lignocelulósica. En este caso la parte orgánica sólida se coloca en una cámara y el líquido sobre ella para extraer los ácidos grasos formados en la hidrólisis para luego ir al reactor de la metanogénesis. Las dos etapas consisten en : primero, el lodo y otros sustratos orgánicos se tratan en un reactor CSTR con tiempo de retención corto de 1-2d en esta etapa el bajo pH produce una hidrólisis acelerada. En el segundo reactor se produce una fermentación y posteriormente la metanogénesis con un tiempo de retención de 10d.

Biorreactor de membrana: inicialmente diseñado para el tratamiento de lixiviados de un basurero, permite el paso del líquido tratado pero retiene los sólidos en el reactor, ofrece tres ventajas principales:

La membrana impide la pérdida incontrolada de biomasa al efluente. La calidad del efluente mejora ya que no contiene BOD ni otras macromoléculas. La carga volumétrica puede aumentarse a niveles muy altos ya que no se pierde biomasa.

El inconveniente es el coste añadido: costes de instalación de la membrana, costes de energía para bombear el líquido hacia y a través de la membrana, costes para solucionar el problema de colmatación de la membrana.

Un sistema de tratamiento anaerobio puede producir una corriente residual que contenga BOD que exceda los límites reglamentados, contiene algo de olor y escaso oxígeno. Por eso corrientemente es necesario un paso de limpieza aerobia.