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UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE NICARAGUA"Sirviendo a la Comunidad”
Biotecnología Ambiental
Conferencia:
Biotecnología Ambiental• Aplicación de la Biotecnología
en la conservación del Medio Ambiente:– Suelos– Aguas– Aire
• Incluye la aplicación de las herramientas de la naturaleza a la industria.
12/04/2023 Dr. R. A. González 2
Limpieza de contaminantes:Utilizando plantas y microorganismos se consiguen descontaminar:
1.Las aguas Lodos activosDigestiones anaerobias
2.El sueloFitorremediaciónBioremediación
3.La atmósferaBiofiltros
12/04/2023 Dr. R. A. González 3
Diferencias entre Tratamientos Biológicos y Procesos Microbianos
12/04/2023 Dr. R. A. González 4
René Descartes (1596 – 1650)• Descartes presentó en
1637 su célebre Discurso del método para dirigir bien la razón y hallar la verdad en las ciencias, donde proponía la duda metódica para llegar a la verdad y se basaba en el principio: Pienso, luego existo12/04/2023 Dr. R. A. González 5
Contaminación: !algo inevitable!
• Ejemplo: En todo asentamiento humano se producen por sus habitantes residuos sólidos, que afectan al medio
• Estos residuos constituyen los Residuos Sólidos Municipales (RSM), o sea la basura urbana.
En 1990 Thibodeaux, parrafraseando a Descartes, formuló la primera de sus “Cinco Leyes de los Residuales Peligrosos”:1. Existo, por lo tanto, contamino: Esta ley resulta válida
tanto para productores, fabricantes y todos los transformadores y manipuladores de materiales, como para la población.
Louis J. Thibodeaux12/04/2023 6Dr. R. A. González
!Pero que podemos minimizar!
Si viven personas
Se produce basura
Si no se trata la basura
Se producen
Vectores Malos Olores
Enfermedades
Si se trata bien la basura
Se recupera materia prima
Se ahorra energía
Se preserva el medio
Se protege la salud
12/04/2023 7Dr. R. A. González
Medidas a tomar• En la composición de los RSM
(basura urbana) tienen un peso importante (=> 50%) los denominados “desechos orgánicos”:– Estos se pueden procesar por
métodos biológicos, para convertirlos en abono orgánico de alta calidad (compost) y también en biogás.
– Los compuestos orgánicos presentes en los residuales líquidos se pueden procesar de igual forma para producir biogás
12/04/2023 8Dr. R. A. González
Medidas a tomar• Además, buena parte del
resto de la basura es en realidad materia prima valiosa y constituye la denominada fracción reciclable de la basura
12/04/2023 9Dr. R. A. González
Reciclado en general
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Derrame de petróleo en el mar
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Bioremediación• Proceso dirigido o
espontáneo, que ocurre generalmente en el suelo, mediante el cual se emplean organismos biológicos (microorganismos y plantas), para degradar productos químicos y otros contaminantes sólidos, líquidos y gaseosos, que existen o se inyectan al suelo, corrientes o reservorios de agua.
12/04/2023 Dr. R. A. González 12
Bioremediación “in situ”
12/04/2023 Dr. R. A. González 13
• Se usa en suelos permeables contaminados bajo la superficie.
• Se inyecta agua con microorganismos y nutrientes a través de pozos.
• Se bombea el agua contaminada a la superficie, se depura y se vuelve a inicial el ciclo.
• Se pueden utilizar microorganismos presentes o introducir nuevas especies.
Otros tipos de Bioremediación• Bioremediación “on site”
– Se excava el suelo y se deposita sobre piscinas con fondo arenoso, revestidas de material impermeable y con un sistema de drenaje del agua.
– La superficie se riega con soluciones enriquecidas en nutrientes y se le añaden microorganismos.
• Bioremediación “ex situ”– El más eficiente pero más costoso. – El suelo contaminado se lleva grandes fermentadores
cilíndricos que giran sobre su eje para agitar el suelo.– Durante el tratamiento se añade oxígeno y nutrientes, en
condiciones de temperatura controlada.
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Fitoremediación
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.
Se utilizan las plantas para remediar aire, suelos, sedimentos, agua superficial y agua subterránea contaminadas
.Procesos mediante los cuales las plantas incorporan las sustancias contaminantes
12/04/2023 Dr. R. A. González 16
Ejemplo de Fitoremediación
12/04/2023 Dr. R. A. González17
Humedades artificiales: Solución de tecnología “biológica que actúan como filtros naturales.
.
Fitoremediación
12/04/2023 Dr. R. A. González 18
Los árboles, además de fijar CO2 y producir O2 pueden eliminar contaminantes del suelo. Ejemplo: Una bacteria que vive en las raíces de los álamos produce una enzima que destruye los residuos de RDX, un componente químico utilizado por la industria militar.
Para descontaminar la atmósfera• Procesos para eliminar
H2S de gases residuales con Thiobacillus ferrooxidans. La bacteria se utiliza para regenerar la solución que absorbe el H2S
• Biofiltros para la eliminación de emisiones gaseosas con malos olores y para pequeñas concentraciones de compuestos orgánicos volátiles (VOCs).
12/04/2023 19Dr. R. A. González
Biofiltros extensivos en suelo• Se emplea la inyección en el suelo, donde
los m. o. degradan el contaminante
12/04/2023 20Dr. R. A. González
Biofiltro en montaje, sin medio filtrante
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Biofiltros modulares compactos
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Concentración de materia orgánica en residuales líquidos
• Se mide con los análisis DQO y DBO5.
• DQO (Demanda Química de O2): Cantidad de O2 necesario para oxidar la materia orgánica y convertirla en CO2 y agua.
• DBO5 (Demanda Biológica de O2): Cantidad de O2 empleado por los microorganismos, en un periodo de 5 días, para descomponer la materia orgánica de las aguas residuales, a una temperatura de 20 °C. – El valor de la DQO es casi siempre superior al de la
DBO5 (muchas sustancias orgánicas pueden oxidarse químicamente, pero no biológicamente)
12/04/2023 Dr. R. A. González 23
Estándar seleccionado para DBO• El tiempo de 5 días y la
temperatura de 20oC no tienen un fundamento teórico sino histórico.
• Estos valores fueron adoptados en Inglaterra, a principios del Siglo XX, basado en que los ríos británicos no se demoraban más de 5 días para llegar al mar y la temperatura media de verano, a largo plazo, no excedía 18.3°C
12/04/2023 Dr. R. A. González 24
Comparación Carga Orgánica de Residuales industriales y de
alcantarillado
12/04/2023 Dr. R. A. González 25
Tipo residual DQO (mg l-1 )
Aguas de alcantarillado
20 a 300
Suero queserías 35,000
Vinaza Destilería 70,000
Residuo industria de aceite de oliva
150,000
DQO y DBO de varios residuales
12/04/2023 Dr. R. A. González 26
Efluente DBO (mgl-1) DQO (mgl-1)
Azúcar de remolacha 850 1,150
Efluente doméstico 350 300
Lavado de ropas 1,600 2,700
Almidón de harina 12,000 17,150
Concepto de Población Equivalente (PE)
• Número de personas (PE), necesario para producir la misma cantidad de residuos que una instalación industrial dada.
• Se expresa en DBO5
• Se estima en 70 g por persona y día (a 20oC). – Ejemplo: PE de una fábrica de queso de 1,000,000 litros
por día, equivale a una población de 500.000 habitantes
12/04/2023 Dr. R. A. González 27
Tecnologías de tratamiento para aguas residuales
Procesos Anaeróbicos Procesos Aeróbicos
Lagunas
Lagunas aireadas naturalmente Lagunas anaeróbicas Lagunas anaeróbicas cubiertas
Lagunas aireadas Lagunas facultativas Lagunas de maduración (post tratamiento)
Procesos de poco mantenimiento, con baja energía:
Tanques sépticos Tanques Imhoff
Filtros de grava Cascadas
Procesos intensivos de alto rendimiento:
Reactor de cama de lodo (UASB) Reactor de cama fluidizada Reactor de cama fija
Procesos de lodo activado Filtros percoladores Discos biológicos fijos
12/04/2023 28Dr. R. A. González
Tratamiento Residuales domésticos
12/04/2023 Dr. R. A. González 29
Fosa Séptica
Tratamiento Residuales Domésticos
12/04/2023 Dr. R. A. González 30
Tanque Imhoff
Tratamiento Residuales domésticos
12/04/2023 Dr. R. A. González 31
Digestión Residuos Orgánicos Líquidos (Aguas Residuales)
– La digestión se puede realizar de forma aerobia o anaerobia.– Procesamiento Aerobio:
• Lodos Activados– Procesamiento
anaerobio:• Digestión anaerobia
12/04/2023 32Dr. R. A. González
Proceso Aerobio de Lodos Activados
12/04/2023 33Dr. R. A. González
12/04/2023 Dr. R. A. González 34
Digestión Anaerobia Vs. Lodos Activados
12/04/2023 35Dr. R. A. González
Sustratos líquidos adecuados para la Digestión Anaerobia
• El sistema de tratamiento anaerobio es adecuado para aguas residuales de:– Destilerías– Empresas de producción de azúcar de caña– Empresas productoras de Levaduras– Plantas de procesamiento de Café– Rastros– Lecherías– Cervecerías– Empresas de sisal (agave)– Empresas de conservas y muchas otras …
12/04/2023 36Dr. R. A. González
Aplicaciones de la Digestión Anaerobia
12/04/2023 Dr. R. A. González 37
12/04/2023 38Dr. R. A. González
Beneficios y Ventajas del tratamiento Anaerobio
• Producción de electricidad y energía térmica• Producción de fertilizante de alta calidad• Obtención de ingresos por la venta de fertilizantes y
energía• Mejora de las condiciones higiénicas, mediante la
reducción de patógenos, moscas y huevos de lombrices• Ventajas ambientales debido a la protección del suelo,
agua y aire• Beneficios macro económicos por generación de
energía descentralizada y protección del medio ambiente
• Se puede negociar la venta de Certificados de Reducción de Emisiones de Gases de Efecto Invernadero
12/04/2023 39Dr. R. A. González
Digestión Anaerobia Vs. Lodos Activados
• El proceso de lodo activado es más sencillo y fácil de regular, pero su costo de operación es mayor y energéticamente es menos eficiente
• La digestión anaerobia es más compleja, pero es muy eficiente energéticamente
• Con las nuevas tecnologías desarrolladas las plantas anaerobias se convierten en fiables y competitivas.
12/04/2023 40Dr. R. A. González
Situación actual de la tecnología de digestión anaerobia
• El tratamiento anaerobio ha llegado a ser un enfoque aceptado y estandarizado para el tratamiento de aguas residuales industriales con elevada carga orgánica.
• A esto ha contribuido que durante los pasados 20 años ha existido un avance significado en el entendimiento de la microbiología involucrada y en aplicar los principios fundamentales al diseño y desarrollo de las tecnologías de tratamiento anaerobio.
• Por lo tanto, dependiendo del tipo de agua residual y otros factores una tecnología anaerobia en específico puede ser más apropiada y eficiente en costo que otra (filtros anaerobios, UASB, lagunas mejoradas, etc.)
12/04/2023 41Dr. R. A. González
Proceso UASB
12/04/2023 Dr. R. A. González 42
Digestión Anaerobia de Residuos Orgánicos Líquidos
12/04/2023 43Dr. R. A. González
Uso combinado de tratamiento anaerobio y aerobio en una cervecera
12/04/2023 Dr. R. A. González 44
Digestión Residuos Orgánicos Sólidos y Semi sólidos
– La digestión se puede realizar de forma aerobia o anaerobia.– Procesamiento
Aerobio:• Compostaje
– Procesamiento anaerobio:• Digestión
anaerobia
12/04/2023 45Dr. R. A. González
Compostaje• No recupera energía• Requiere separación
en el origen para alcanzar una calidad adecuada
• Puede hacerse manual o utilizarse tecnología moderna.
• El proceso manual es el más apropiado para la pequeña escala
12/04/2023 46Dr. R. A. González
12/04/2023 Dr. R. A. González 47
12/04/2023 Dr. R. A. González 48
Compostaje doméstico
12/04/2023 Dr. R. A. González 49
Compostaje tecnificado
• Equipo para voltear las pilas de compost
• Equipo de medición de temperatura y CO2
12/04/2023 50Dr. R. A. González
Limitaciones del proceso de compostaje tecnificado
• Para que una instalación opere eficientemente y permita un buen Proyecto de Reducción de Emisiones (MDL), se necesita capacidad procesamiento <= 100 – 150 t/día de residuos sólidos con un contenido de materia orgánica superior al 60%.
• Para cantidades menores no se justifica un proyecto MDL y la mejor opción es el compostaje manual
12/04/2023 51Dr. R. A. González
Aptitud de los Residuales Orgánicos para la Fermentación o el Compostaje
Humedad decreciente
DIGESTION ANAEROBIA COMPOSTAJE
Estiércol líquido /lodos de alcantarillado Residuos de establos Residuos de mesa Residuos de cocina Residuales orgánicos industriales Residuales biológicos (rural/urbanos) Siega de césped / hojas Poda setos, residuos huertos
12/04/2023 52Dr. R. A. González
Digestión Anaerobia vs. Compostaje
Digestión Anaerobia
Compostaje
Evita emisiones de metano
sí (si se utiliza el gas)
sí (bien controlado)
Reduce emisiones por substitución de energía para usuarios externos
sí (con utilización de gas)
no (tiene emisiones por consumo energía)
Bajos requerimientos de combustibles fósiles
sí no (el tecnificado)
12/04/2023 53Dr. R. A. González
Sustratos Sólidos adecuados para la Digestión Anaerobia
• Desechos de industrias de producción de alimentos• Componentes orgánicos de los Residuos Sólidos Urbanos
(!basura!)• Desechos orgánicos separados en los hogares (ejemplo:
desperdicios de la cocina)• Residuos de alimentos de restaurantes, comedores y
mercados• Residuos orgánicos de Mataderos (Rastros)• Residuales agropecuarios (Ejemplo: estiércol y residuos de
cosechas)• Lodos de las plantas de tratamiento de aguas residuales• Cultivos de plantas energéticas.
12/04/2023 54Dr. R. A. González
Digestión Anaerobia de Residuos Sólidos o semi-sólidos
12/04/2023 55Dr. R. A. González
Plantas de biogás de pequeña escala
• Las de mampostería (modelos chino e indio) son muy duraderas
• Las de plástico duran menos pero son mucho más económicas y es la que más se utiliza en la actualidad a nivel familiar. 5612/04/2023 Dr. R. A. González
Biodigestor familiar moderno• Un biodigestor de este tipo resulta económico y se ha
probado con éxito en las zonas agrícolas de Nicaragua• Por lo tanto la tecnología de producción de biogás es un
problema resuelto en la pequeña escala.
12/04/2023 57Dr. R. A. González
Aplicaciones prácticas del biogás
12/04/2023 58Dr. R. A. González
Aplicaciones prácticas del biogás
12/04/2023 59Dr. R. A. González
Procesos industriales de digestión residuos sólidos y semi sólidos
12/04/2023 60Dr. R. A. González
Tratamiento combinado anaerobio – aerobio para la fracción orgánica de los RSU
12/04/2023 61Dr. R. A. González
Digestores industriales• Se utilizan digestores con paredes de mampostería
o acero, con cubierta plástica flexible.
12/04/2023 62Dr. R. A. González
Equipos de cogeneración• Incluye unidades de cogeneración para la generación
simultánea de energía eléctrica y térmica, lo que asegura una elevada eficiencia y una mayor economía de proceso.
12/04/2023 63Dr. R. A. González
Otro uso del biogás• También el
biogás puede usarse directamente para sustituir combustibles fósiles en calderas y hornos.
12/04/2023 64Dr. R. A. González
Eliminación de azufre
• Utiliza un proceso especial para la eliminación de los compuestos de azufre, basado en la adición controlada de muy pequeñas cantidades de aire.
12/04/2023 65Dr. R. A. González
6612/04/2023 Dr. R. A. González
Ejemplos de rendimiento de algunos substratos
t/d cbm Biogas/d kWhel/d kWhth/dDesechos de aves 100 9600 19000 28800Estiércol de pavo 100 19300 41400 62700Estiércol vacuno 100 2900 6200 9400Estiércol de cerdos 100 2200 4700 7200Res. orgánicos municipales 100 10800 24900 37800Residuos grasos 100 43200 99800 151200Residuos de mercados 100 5900 13600 20700Ensilage de hierbas 100 21500 38800 58800Residuos de papas 100 6800 11500 17500Ensilaje de maíz 100 15800 31300 47400Contenido de rumen 100 4500 9900 15100Residuos de cocina 100 9000 20800 31500Hierba 100 10300 18100 27400
12/04/2023 67Dr. R. A. González
Rango de capacidad para plantas de Digestión de RSU (Tecnología actual)
• Se requiere como mínimo 30 t/día de fracción orgánica de RSU
• Se prefieren capacidades mayores de 40 t/día (economía de escala)– Para obtener esa cantidad se requiere un
municipio grande o un conjunto de municipio.
• Se necesita una tecnología más económica que haga rentables plantas de pequeña y mediana escala
12/04/2023 68Dr. R. A. González
Proyecto Planta Piloto de Producción de Biogás
• Para el diseño, construcción y puesta en marcha de una Planta Piloto de Producción de Biogás.– Se espera obtener una tecnología de producción
más adecuada a las condiciones específicas de América Latina.
• Además la instalación servirá para otras investigaciones de procesos anaerobios y también tendrá carácter docente.
12/04/2023 69Dr. R. A. González
Proyecto Planta Piloto de Producción de Biogás
• Proyecto de I + D en fase final de elaboración (primer semestre del 2009), de conjunto con las compañías ADS de Alemania y H.J. Wiefferink b.v., de Holanda.
• Se cuenta con un pequeño financiamiento por la firma holandesa, pero hay que buscar la mayor parte del mismo.
• Se espera comenzar búsqueda de financiamiento a inicios del 2009
7012/04/2023 Dr. R. A. González
Proyecto Planta Piloto de Producción de Biogás
12/04/2023 71Dr. R. A. González
Digestor de Laboratorio
La Planta Piloto contará con un digestor de Laboratorio y otros equipos para la investigaciones en tecnología anaerobia.
12/04/2023 72Dr. R. A. González
Desarrollo del Programa de Biogás y Compost
• El Proyecto de Planta Piloto para la búsqueda de una tecnología más económica debe durar dos años.
• A partir de ese momento, la planta piloto y el equipamiento de laboratorio se utilizarán para desarrollar otros Proyectos de este Programa.
12/04/2023 73Dr. R. A. González
1. Desarrollo demostrativo en Diriamba, extensión a León, Matagalpa y Jinotega, Estelí y Chinandega
2. Incluye la Digestión Anaerobia y Aerobia de la Fracción Orgánica de los RSU, para producir compost y biogás y cogenerar energía eléctrica y térmica o sustituir combustible fósil.
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Programa de Extensión: PM-PGIRSU
12/04/2023 Dr. R. A. González
3. Se basa en lograr la separación en el origen:– Imprescindible lograr la
separación en el origen (domiciliario e institucional) de dos fracciones: • Fracción húmeda (orgánica
putrescible)• Fracción seca (inorgánica y
orgánica no putrescible).– Se tomó como base la
experiencia obtenida del Distrito Federal de México
12/04/2023 75Dr. R. A. González
PM-PGIRSU
4. Introduce la Recolección Selectiva, cuando se comience la Separación en el Origen e incluye:– Optimizar Recorrido de
Vehículos de Recolección
– Maximizar Recuperación de Material Reciclable
– Definir las Estaciones de Transferencia necesarias.
12/04/2023 76Dr. R. A. González
PM-PGIRSU
• Se prevén Centros de Acopio del material reciclable para separar y acondicionar sus distintos componentes (papel, cartón, vidrio, plásticos) y organizar su comercialización.
5. Considera la Comercialización del Material Reciclable, dentro del Proyecto de Optimización del Sistema de Recolección y Transporte de los RSU.
12/04/2023 77Dr. R. A. González
PM-PGIRSU
6. Considera la proyección de Plantas de Compostaje, como complemento de las Plantas de Biogás o sustituto de éstas en los casos en que no resulten rentables las Plantas de Biogás (municipios muy pequeños)
12/04/2023 78Dr. R. A. González
PM-PGIRSU
Sistema de Gestión Integral de RSU (sin producción de biogás)
12/04/2023 79Dr. R. A. González
PM-PGIRSU7. La Planta de Biogás
es parte fundamental del sistema, y emplea digestores con cubierta plástica flexible. • Utiliza un proceso especial
para eliminar compuestos de azufre, basado en la adición controlada de muy pequeñas cantidades de aire.
12/04/2023 80Dr. R. A. González
8. La Planta de Biogás incluye unidades de cogeneración para la generación simultánea de energía eléctrica y térmica.
PM - PGIRSU
• También puede usarse el biogás directamente para sustituir combustibles fósiles en calderas y hornos.
12/04/2023 81Dr. R. A. González
PM-PGIRSU9. El Sistema incluye un Relleno Sanitario para la
Disposición final de los Residuos no Reciclados, el que incluye las medidas necesarias para asimilar los residuos orgánicos que no hayan sido procesados como biogás o compost.
12/04/2023 82Dr. R. A. González
!GRACIAS POR SU ATENCIÓN!
12/04/2023 83Dr. R. A. González
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