Integración de metanogénesis y desnitrificación en un reactor … · 2012-02-21 · Reactores...

Integración de metanogénesis y desnitrificación en un reactor UASB para

recuperación de aguas en riego

Javier Mateo-Sagasta Dávila

Contenidos

Introducción

Objetivos

Experimento 1

Experimento 2

Conclusiones

Materiales y métodos

Resultados y discusiones

Materiales y métodos

Resultados y discusiones

Introducción

Problemática frecuente en las cuencas españolas.

Desequilibrio entre oferta y demanda de agua

Vertidos inadecuadamente tratados

Déficit

Contaminación de masas de agua

Perspectivas poco halagüeñas en ausencia de medidas correctoras.

Crecimiento de la población y de las actividades económicas

Creciente demanda de recursos hídricos

Creciente cantidad de volúmenes vertidos

Introducción

Uso de agua residual regenerada en agricultura

EDARsCoste-eficaces

Medidas integrales

Regeneración de aguas residuales para su uso en riego.

Basadas en:

Ventajas:•Compacto y bajo coste

•Baja producción de lodos

•Producción de biogás

•Baja demanda energética

Manteniendo•Alta eficiencia en eliminación de MO y SV

•Capacidad filtrante

Limitaciones:•No elimina nutrientes (p.e. N)

•No elimina patógenos (E. colli)

UASB (lecho de lodo anaerobio ascendente)

Introducción

Lecho de lodo

Influente

Biogás

Efluente

Sistema sencillo

Se cierran los ciclos de agua y nutrientes

Introducción

(Aeróbico) (Anaeróbico) Biodiscos

N2

Biodiscos

Consideraciones sobre desnitrificación en un UASB

•Un crecimiento del potencial redox podría inhibir la metanogénesis

•Los intermediarios de la desnitrificación son tóxicos para los metanógenos

(NO-3 → NO-

2 → NO → N2O → N2 )

Introducción

Objetivos

Explorar la integración de metanogénesis y desnitrificación en un reactor UASB

1. Puesta en marcha y seguimiento del comportamiento de un reactor UASB a escala de laboratorio integrando metanogénesis y desnitrificación.

2. Evaluar la presencia de actividad desnitrificadora en lodos metanogénicos.

Experimento 1Reactor UASB (27 °C)

Reactor UASB

• Puesta en marcha y seguimiento del comportamiento de un reactor UASB integrando metanogénesis y desnitrificación.

Equipo:1. Bidón del influente

2. Bomba peristáltica

3. Reactor UASB

4. Bolsa colectora de gas

5. Bidón del efluente

6. Termostato

2

1

3

4

56

Inóculo:Lodo anaeróbico extraído de un reactor UASB operado en condiciones reales

Reactor UASB: Materiales y métodos

Influente

Etapa Metanogénica Agua residual sintética (1,5 g DQO/l)

(Acetato, propionato y glucosa)El 80% del DQO usado en metanogénesis, 20% usado en desnitrificación

Idem + 56 mg NO3-N/l

Etapa Met/ Desnit. DQO/N = 26

Monitorización:

Influente y Efluente (DQO, AGV, NO3)

Gas (producción y composición)

Lodo (SV, ST, Actv metanogénica, actv. desnitrificadora)

Reactor UASB: Materiales y métodos

Comportamiento del UASB

Etapa metanogénica

Comportamiento metanogénico bueno y estable

DQOsol R = 92 %

Acetato R = 96 %

Propionato R = 92 %

80 % CH4

Lodo

Actv. Metanogénica: 1,4 (g CH4-DQO/gSV/d)

Actv. Desnitrificadora: 2,1 (mg NO3-N/gSV/h)

Reactor UASB: Resultados y discusiones

Etapa Metanogénico/Desnitrificadora

0

20

40

60

80

100

231 236 241 246 251 256

Tiempo (días)

[N

O 3-N

](mg/

l)

0

20

40

60

80

100

Efic

ienc

ia d

e el

im

Inlet NO3-NOutlet NO3-N%R

Eliminación de nitrato

1. Completa desnitrificación

La actividad desnitrificadora en el lodo metanogénico se mantuvo en la etapa metanogénica (sin NO3

-)

Reactor UASB: Resultados y discusiones

Puesta en Marcha

2. Inhibición temporal de metanogénesis

Acusadas caídas en la eliminación de acetato y % de CH4

Inhibición de la metanogénesis

Acumulación transitoria de los intermediarios de la desnitrificación (NO2, NO, N2O)

Shock por incremento del potencial redox

0

200

400

600

800

1000

220 225 230 235 240 245 250

[ace

tato

] (m

g/l)

0

20

40

60

80

100

%R

Inlet acetateOutlet acetate%R

Composición del biogás

Eliminación de acetato

NO3-

NO3-

Etapa Metanogénico/Desnitrificadora

Puesta en Marcha

Reactor UASB: Resultados y discusiones

0102030405060708090

220 225 230 235 240 245 250

Time (days)

porc

enta

jes

de g

ases

N2%

CH4%

Tiempo (días)

Comportamiento estable

Tras tres días de adición de nitrato:

DQOsol R = 91%

Acetato R =97,4%

Propionato = 97,6%

NO3-N R = 97,5%

% CH4 = 73%

% N2 = 8,4%

Rápida adaptación del sistema

0

200

400

600

800

1000

220 225 230 235 240 245 250

[ace

tato

] (m

g/l)

0

20

40

60

80

100

%R

Inlet acetateOutlet acetate%R

0102030405060708090

220 225 230 235 240 245 250

Tiem po (days)

porc

enta

jes

de g

ases

N2%

CH4%

Composición del biogás

Eliminación de acetato

Balance de masas:El exceso de C, no utilizado en desnitrificación, fue convertido a CH4

Etapa Metanogénico/Desnitrificadora

Reactor UASB: Resultados y discusiones

0102030405060708090

220 225 230 235 240 245 250

Time (days)

porc

enta

jes

de g

ases

N2%

CH4%

Tiempo (días)

El exceso de C, no utilizado en la desnitrificación, fue convertido a CH4 debido a la formación de gradientes de NxOy y/o potencial redox

Reactor de flujo en pistón

Metanogénesis

Desnitrificación

Biofilms desnitrificadores alrededor de los flóculos de lodo

Estratificación del hábitat

Eo y/o NxOy

metanogénesis

desnitrificación

Umbral metanogénesis

Reactor UASB: Resultados y discusiones

Reactores CSTR

Experimento 2

Reactores de Mezcla Completa (CSTRs) en continuo

• Evaluar la presencia de actividad desnitrificadora en el lodo metanogénico.

Los reactores de mezcla completa no permiten la inmovilización de lodos

Hipótesis

Los desnitrificadores eventualmente presentes en el inóculo se lavarían del

sistema

Inóculo:•Lodo primario EDAR

•Lodo UASB

Reactores CSTR: Materiales y métodos

Influente:•Lodo primario

•Agua Residual Sintética

Sin nitratos, nitritos ni óxidos de nitrógeno

Digestión “batida” y prolongada durante meses

Reactores CSTR: Resultados

0

100

200

300

400

500

0 2 4 6 8 10 12Tiempo (días)

CH4-CODN2

0

150

300

450

600

750

0 2 4 6 8 10 12T iempo (días)

g/l

CH4-CODN2

Blanco (sin NO-3) Con 75 mg NO-3-N/l

Tests de desnitrificación con lodo de los reactores de mezcla completa

Microorganismos capaces de desnitrificar subsistieron en el lodometanogénico desarrollado en los reactores de mezcla completa sin recibir nitrato.

Sobrevivir en condiciones anaeróbicas estrictas con bajos niveles de fermentación?

Pulsos de oxígeno?

Conclusiones

1. La presencia de actividad desnitrificadora en lodo metanogénico es la regla y no la excepción.

2. Los sistemas UASB tienen un gran potencial para integrar la desnitrificación y la metanogénesis en un único

reactor.

Altas tasas de eliminación de DQO y N

Buena calidad del biogás

Baja producción de lodos

Segregación del hábitat entre desnitrificadores y

metanógenos

Conclusiones

3. El sistema propuesto es compacto, flexible, relativamente simple y barato, de baja demanda

energética y a la vez de una eficiencia elevada y bien adaptado para riego.

Conclusiones

GRACIAS POR SU ATENCIÓN