Digestion Anaerobia - Fernandez Polanco

Depuración Anaerobia de Aguas Residuales

Fernando Fdz-Polanco

Dpto. Ingeniería Química yTecnología del Medio AmbienteUniversidad de Valladolid

Facultad de Ingeniería Ambiental y Recursos Naturales

Tratamiento de Anaerobio de Aguas Residuales. Lima Septiembre 2014

PROCESOS BIOLÓGICOS ANAEROBIOS

2. FACTORES DE OPERACIÓN

1. BASES DE LOS PROCESOS ANAEROBIOS

3. CONFIGURACIÓN DE REACTORES

4. PARÁMETROS DE DISEÑO

5. TRATAMIENTO INTEGRADO



M.O.SUSTRATO

(líquido)(sólido)

M.O. NO DEGRADADA(líquido)

CH4 + CO2

(biogás)

C5H7NO2

PRINCIPIO DE CONSERVACIÓN

DE MATERIA



CH3COOH + 2 O2 → 2 CO2 + 2 H2O+ ENERGÍA

CH3COOH → CO2 + CH4

+ 2 O2

CO2 + 2 H2O + ENERGÍA

AEROBIO ANAEROBIO

pérdidas

mantenimiento

síntesis

100

% E

su

stra

to

pérdidas

productos

mantenimiento

síntesis1

00%

E s

us

tra

to



residuo particulado complejo y biomasa inactiva

hidratos de C proteínas lípidos

azucares aminoácidos AGCL

acetato CO2 H2

CH4

propionato VaH BuH

acidogénesis de azucaresacidogénesis de aminoácidosacetogénesis de AGCLacetogénesis de propionatoacetogénesis de VaH y BuHmetanogénesis acetotróficametanogénesis hidrogenotróf.

inertes particulados

inertes solubles


enzimas extracelulares


reacciones intracelulares



M.O.

CH4

AGV

•crecimiento lento•sensibles•características críticas

acetato

M.O.

CH4

AGVACUMULACIÓN!!

- acidificación- toxicidad

acetato



acetato CO2 H2

CH4

CH3COO- + H2O → CH4 + HCO3-

ΔGº´= - 6.8 kcal/mol

4 H2 + CO2 + 2 H+ → CH4 + 2 H2OΔGº´= - 32.3 kcal/mol

METANOGÉNICAS SULFATORREDUCTORAS (BSR)

CH3COO- + SO4= + H+ → H2S + 2 HCO3

-


4 H2 + SO4= + 2 H+ → H2S + 4 H2O




nitrógeno

proteína vegetal

proteína animal

bacterias desnitrificantes

nitratosalimento

bacteriasfijadoras de N2

nitritoscompuestos de amonio

absorción por plantas

bacterias nitrificantes (Nitrobacter)

bacterias nitrificantes (Nitrosomonas)

muerte excreciones

muerte

bacteriasfijadoras de N2

NKT → N-NH4+

1. AEROBIO

2. ANÓXICO



moléculas orgánicas simples

HSCoA

CoA

Pi+E

1. ANAEROBIO

Poli-P

PHB

Pi

2. AEROBIO O ANÓXICO

O2 o NO3-

Pi PHB

HSCoA

Ciclo TCA

CO2

ADP+PiNADH2

H2O o N2

ATPNAD









2. FACTORES QUE INFLUYEN EN EL PROCESO

pH, ALCALINIDAD Y AGV

ARRANQUE

NUTRIENTES

INHIBIDORES

TEMPERATURA

MEZCLA

BIOGÁS

Biodegradación rápidaProducción de biogásElevado crecimiento Estabil idad



residuo particulado complejo

hidratos de C proteínas lípidos

azucares aminoácidos AGCL

acetato CO2 H2

CH4

propionato VaH BuH

residuo complejo

acetato H2

CH4

1. ARRANQUE

hidrólisis + fermentación

metanogénesis



1. ARRANQUE

residuo complejo

acetato H2

CH4

hidrólisis + fermentación

metanogénesisEQU

ILIB

RIO

EN

TRE

AM

BA

S ET

APA

S¿CÓMO SE REALIZA EL ARRANQUE?1. inóculo adecuado (lento crecimiento

⇒ cuanto más mejor)2. agua3. temperatura4. tamponar para evitar caída de pH5. MO de modo que no se forme más de

2-4 g/L AGV manteniendo pH 6.8-7.66. control diario de pH y AGV(AcH, PrH,

BuH, IBuH por cromatografía)7. 108-109 microorganismos/mL reactor8. 1 a 4 meses ⇒ mayor estabilidad



primera etapaacidogenesisprimera etapaacidogenesis

segunda etapasegunda etapa

generación AGV

disminución pH aumento pH

proceso globalpH constante

proceso globalpH constante

AcH ⇔ Ac- + H+

Ac- H+

AcH

Ac- H+

2. pH Y ALCALINIDAD (6.6-7.6 problemas de acidificación)

Consumo

AGV



3222

22

COH OH (ac) CO

(ac) CO (g) CO

↔+↔

2. pH Y ALCALINIDAD (6.6-7.6 problemas de acidificación)

+=

+

+↔

+↔

H CO HCO

H HCOCOH

3-3

-332

10.2pK C)(35º 106K

6.3pK C)(35º 105K

a,211

a,2

a,17

a,1

=⇒⋅=

=⇒⋅=−

−32232

H32

2

COH (ac) CO*COH

C)(35º atm/mol 38K*]CO[H

(g)][CO

+=

==

0

20

40

60

80

100

0 2 4 6 8 10 12 14 pH

%

H2CO3 HCO3- CO3=



2. pH Y ALCALINIDAD

ALCALINIDAD es la capacidad del agua para neutralizar ácidos.Es la concentración de hidróxidos, carbonatos y bicarbonatos de un agua (mg CaCO3/L)

Relación pH/alcalinidad/CO2

H

2a,1

K][CO

50000dalcalinida

logpKpH +=

pH>6.5 500-900 mg CaCO3/L 24-45% CO2 en el biogás

32-3 COH AHCO HA +↔+ −Efecto de los AGV

Neutralización cal Ca(OH)2

NaHCO3 no tiene problemas pero es caro y toxicidad del NaNa2CO3

NaOHNH3 toxicidadNH4HCO3

más baratoformación de CaCO3

consumo de CO2 ⇒ vacío

hidróxidos y carbonatos:consumo de CO2 ⇒ vacío



3. NUTRIENTES • efluente urbano• efluente agroalimentario• efluente industrial (estudios de laboratorio)

DOSISestequiometríaN ⇒ 12% peso celularP ⇒ 2% peso celularS ⇒ 2% peso celular

- SO4= presente en el AR

- adición sin exceso- sulfuro metálico insoluble

trazas para activación enzimática- Fe, Co, Ni

cationes comunes- presentes en las aguas- 40-60 mg/L- evitar desequilibrio entre ellos

mg/g DQO exceso mg/L adición

N 5-15 50 NH3, NH4Cl, NH4HCO3

P 0.8-2.5 10 NaH2PO4

S 1-3 5 MgSO4· 7 H2O

Fe 0.03 10 FeCl2· 4 H2O

Co 0.003 0.02 CoCl2· 2 H2O

Ni 0.004 0.02 NiCl2· 6 H2O

Zn 0.02 0.02 ZnCl2

Cu 0.004 0.02 CuCl2· 2 H2O

Mn 0.004 0.02 MnCl2· 4 H2O

Mo 0.004 0.05 NaMoO4· 2 H2O

Se 0.004 0.08 Na2SeO3

T 0.004 0.02 NaWO4· 2 H2O

B 0.004 0.02 H3BO3

Na 100-200 NaCl, NaHCO3

K 200-400 KCl

Ca 100-200 CaCl2· 2 H2O

Mg 75-250 MgCl2



4. INHIBIDORES

ESTIMULACIÓN

SIN EFECTO

concentración

tasa

de

reac

ción

bio

lógi

ca concentración óptima

INHIBICIÓN

ANAEROBIO ⇒ efecto es peor:• las AR presentan altas cargas

y también de inhibidores• tasas de crecimiento bajas

ADAPTACIÓN ⇒ SOLUCIÓNelegir un cultivo que se adapte mejor

DIVERSIDAD BIOLÓGICA dificultad para conocer la concentración tóxica

ensayos biológicos (test de toxicidad)



4. INHIBIDORES

4.1. SALES ESTIMULACIÓNINHIBICIÓNMODERADA

FUERTEINHIBICIÓN

Na 100-200 3500-5500 8000K 200-400 2500-4500 12000Ca 100-200 2500-4500 8000Mg 75-150 1000-1500 3000

EFECTO ANTAGÓNICO



4. INHIBIDORES

4.2. AMONIACO • degradación anaerobia de proteínas ⇒ NH4+/NH3

• AR matadero o purines

9.3pK

105.5K H NH NH

a

10-a34

=

⋅=+↔ ++ • NH4+ inhibición a 3000 mg/L

• NH3 inhibición a 100 mg/L

0

20

40

60

80

100

0 2 4 6 8 10 12 14pH

%

NH4+ NH3NH4+

NH3



4. INHIBIDORES

4.3. SULFUROS (g) SH (ac) S/H/HSS SO 22-BSR

4 ↔ → ==

C)(35º atm/mol 13K(ac)] S[H(g)] S[H

(g) SH (ac) SH

12.9pK H S HS

7.04pK H HS SH

H2

222

a2-

a1-

2

==↔

=+↔

=+↔+=

+

0

20

40

60

80

100

0 2 4 6 8 10 12 14 pH

%

H2S HS- S=HS-

H2S



COD

S-compounds

AN

AE

RO

BIC

DIG

ES

TE

R

Sulphide

EFFLUENT increase COD bulking

BIOGAS odour corrosion toxic to humans

REACTOR inhibition accumulation of

inert material in the sludge (metal sulphides)

growth of filamentous bacteria

ENERGY BALANCE less CH4

biogas treatmentH2S < 200 mg/Nm3 < 0.013% (v/v)

CH4/CO2

H2S

- affect the intracellular pH- MA the most sensitiveHS-

H2S



4. INHIBIDORES

4.4. METALES Co, Ni, Zn, Cd, Hg presentan inhibición ≈ 1 mg/L

evitar su entrada en el reactorprecipitación de sulfuros metálicos (insolubles y no tóxicos)

PROBLEMAdosis S= ⇒ toxicidad

SOLUCIÓNFeS - Fe es desplazado por los metales

- Fe no es tóxico

4.5. TÓXICOS ORGÁNICOS comunes a muchos residuos industrialesadaptación ⇒ degradación - fenol

- cloroformo



4. INHIBIDORES

EJEMPLOS• detergentes con cationes de amonio cuaternario• AGCL con Ca se complejan• pH cambia la toxicidad:

- NH4+/NH3 (pH ácido)

- CH3CH2COOH / CH3CH2COO- (pH básico)

CONTROL1. eliminación del tóxico del influente2. dilución ⇒ mayores volúmenes3. precipitación o complejos (Cu, Zn

como sulfuros con SO4=, cuidado

con la dosificación!!)4. variación del pH5. adición de sustancias antagónicas

a las que producen toxicidad



• importante por la lenta velocidad de crecimiento• tasa de crecimiento se duplica cada 10ºC• a T mayor de la óptima se destruyen enzimas

5. TEMPERATURA

tasa

de

crec

imie

nto

T (ºC)0 20 40 60 80 100

ELECCIÓN DEPENDE DE LA CARGA (CH4)

VENTAJASmayor temperatura ⇒

mayor actividad ⇒menor volumen

DESVENTAJAS• coste energético

• pérdida de la capacidad del sistema si hay un fallo en la calefacción

CLASE INTERVALO (ºC)psicrófilas -5 a 20mesófilas 8 a 45termófilas 40 a 70hipertermófilas 65 a 110



INTERNA (30%)

EXTERNA (25%)

5. TEMPERATURA AislamientoSistema de calefacción

Elevada temperatura en la superficie del cambiador produce precipitación de proteínas en la superficie del cambiador ⇒ mayor superficie



sedimentaciónzonas muertas

mezcla

6. MEZCLA

Temperatura y condiciones homogéneasDistribución de nutrientesMejora el contactoEvita sedimentaciónEvita zonas muertas



6. MEZCLA. SISTEMAS DE MEZCLADO1.

REC

IRC

ULA

CIÓ

N D

E LÍ

QU

IDO

(bom

ba)

recirculación interna

recirculación externa

2. R

ECIR

CU

LAC

IÓN

DE

GA

S (c

ompr

esor

)

difusión de gas

gas lift



6. MEZCLA. SISTEMAS DE MEZCLADO

- recirculación de líquido + gas- recirculación de líquido + mezcla mecánica - recirculación de gas + mezcla mecánica

4. COMBINACIÓN DE SISTEMAS3. MEZCLA MECÁNICA



• valor energético CH4 = 35.8 kJ/L

C6H12O6 → 3 CO2 + 3 CH4

C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O

eliminada

4

2

4

2

4

DQO g

CH L 0.350

O g 326

CH L 22.43

O 6

CH 3 =⋅

⋅=

• relación entre MO eliminada y el metano producido

• eliminación de MO

dkJ 102.26

CH m

kJ 1035.8

dCH m

106.3

dCH m

106.3BOD kg

CH m 0.350

dm 10

m

BOD kg 18

9

43

343

4

43

4

L

433

43

elim L

⋅=⋅⋅⋅

⋅=⋅⋅

influente104 m3/d

20 g DQO/L

estabilización 90%

efluente104 m3/d

2 g BODL/L

biogás• composición 70-75% CH4 30-25% CO2

7. PRODUCCIÓN Y COMPOSICIÓN DEL BIOGÁS



-4 -2 0 2 4

urea

ácido oxálico

ácido fórmico, CO

ácido cítrico

hidratos de C, ácido acéticoproteinas

algas y bacterias

metanol

grasas

0

50

100

com

po

sici

ón

del

bio

gás

(%

CH

4)

Estado de oxidación del C

7. PRODUCCIÓN Y COMPOSICIÓN DEL BIOGÁS









3. CONFIGURACIONES DE REACTORES

biogás

1. MEZCLA COMPLETA

MEZCLA (no se usaba inicialmente)• mejora el contacto• evita la sedimentación (disminuiría el Vútil)

TRH• 25 d• evita la purga porque es muy alto

INCONVENIENTE sólo se obtienen altas cargas por unidad de volumen para influentes de 8000 a 50000 mg BODL/L mejora el contacto

SOLUCIÓNseparar THR del SRT

ALIMENTACIÓN ⇒ fangos municipales• 2.5 a 15% TS• del 100% de los SS → 65 % VSS

50% biodegradables ↵


REACTOR DE MEZCLA COMPLETA

Tratamiento de Anaerobio de Aguas Residuales. Lima Septiembre 2014 36

REACTOR DE MEZCLA COMPLETA

Estabilización de lodos (DA). Huevos



biogás biogás

2. CONTACTO (análogo FA)

1955Para residuos de conservas con 1300 mg BODL/L

INCONVENIENTE flotación en el sedimentador por desorción ⇒ problemas más grave que en aerobio por la baja tasas de crecimiento

SOLUCIÓNaplicar vacío antes del sedimentador para eliminar la sobresaturación del gas





biogás biogás biogás biogás

3. BIOFILTROS

ASCENDENTE (análogo a filtro aerobio)Medio rocoso

- poco volumen de vacío- poca área específica

⇒ medio plásticoObstrucción y SS en el efluente

⇒ aguas sin SS ⇒ ascensión turbulenta del biogas

Buena retención de biosólidos, muy aplicado

DESCENDENTE- los sólidos se acumulan en la

superficie (más sustrato, ⇒ más crecimiento)

- H2S (inhibidor) se forma en la parte alta

APLICACIÓN• alimentación• bebidas• farmacia• industria química




biogás biogás4. LECHOS FLUIDIZADO Y EXPANDIDO

FLUIDIZADOVENTAJAS- gran espacio de poro ⇒ menor obstrucción

⇒ menos cortocircuitos- elevada área específica

⇓MAYOR EFICACIA RESPECTO

A LA CARGA POR UNIDAD DE VOLUMENINCONVENIENTES- conseguir BP fuertemente adherida- proporción adecuada de BM en la BP- recirculación (menor FP y coste energético)

EXPANDIDO• menor velocidad de flujo ascensional• mejor captura de sólidos• peor transferencia de materia• cortocircuitos


REACTORES ANAEROBIOS




biogás biogás biogás

5. UASB (http://www.uasb.org) problema de granulación⇓

conocimiento de los factores de granulación

APLICACIÓN• alimentaria• papelera• industria química

biogás




Separador Gas-Líquido-Sólido (GLS)





BIOPAQ® IC





biogás6. REACTOR COMPARTIMENTADO

- biomasa pasa a la cámara siguiente- se puede sedimentar y recircular a la 1ª cámara





biogásbiogás

7. LECHO PERCOLADOR Y FILTRO PERCOLADOR1. hidrólisis (célulosa)

2. metanogénesis

DIGESTIÓN EN DOS ETAPAS





biogás

membrana

biogásbiogás

8. R. DE MEMBRANAno hay pérdida de biomasamejora la calidad del efluentela CV puede aumentarse

⇓COSTE



MEMBRANAS HUECAS

MEMBRANAS

SUMERGIDAS





biogás

membrana

biogás

a aerobiobiogásbiogás


ventajas desventajasmuy alta capacidad tratamientomuy bajos THRdiferentes tipos de aguasaplicable a aguas con sólidosinsensible sobrecargas orgánicasaplicable a aguas con tóxicosrequiere poca superficie

puesta en marcha difícilalto consumo energéticodificultad controlar expansión del lechoelevada concentración de SS efluentediseño y cambio de escala complicadopoca experiencia a escala industrialelevado coste de relleno

ventajas desventajas elevada capacidad tratamiento bajo THR adaptación a diferentes aguas aguas diluidas y cargadas resistente fluctuaciones de carga rápido rearranque requiere poca superficie

puesta en marcha difícil riesgo de oclusiones limitado a aguas con pocos SS elevado contenido SS efluente sensible altas concentraciones Ca elevado coste de relleno

ventajas desventajas

elevada capacidad tratamiento

bajo THR alta eficacia eliminación DQO bajo requerimiento energético no necesita soporte fácil construcción gran experiencia práctica

proceso de granulación difícil de controlar la granulación depende del agua la puesta en marcha puede requerir fango granular sensible a sobrecargas orgánicas útil para agua sin SS Ca+2 y NH4

+ inhiben la granulación el rearranque puede provocar la flotación de los

gránulos requiere grandes superficies

UASB

BIOFILTRO

LECHO FLUIDIZADO

3. REACTORES


3. REACTORESBIOFILTROdistribución uniforme alimentacióntaponamientocaminos preferenteslavado del lechoacumulación de inertesseparación de lodos efluente

UASBcontrol expansión lechoestabilidad fluctuaciones alimentaciónretención de biomasa en sobrecargasacumulación de inertesflotación de la biomasa

LECHO FLUIDIZADOcontrol de la expansión del lechodistribución uniforme alimentaciónflotación de partículascambio propiedades fluidizacióndesprendimiento biopelículapoca experiencia industrial

LIM

ITA

CIO

NES

DE

OPE

RA

CIÓ

N

CO

MPA

RA

CIÓ

N

comportamiento UASB BF LFpuesta en marchaacumulación de biomasamezcla fase líquidasobrecargas hidráulicassobrecargas orgánicasadmisión SSriesgo de oclusionesriesgo flotación biomasanecesidad de control

-+++-+-

++-+

-++

++++-++

-+++++++

+++++-


4. PARÁMETROS DE DISEÑOEXPRESIONES BÁSICAS

SK

Sμ̂

dt

dX

X

1μ

sin

a

asin +

=

=

bdt

dX

X

1μ

ago

a

aago −=

= bf

dt

dX

X

1d

res

a

a⋅−=

( ) bf1dt

dX

X

1

dt

dX

X

1d

inert

a

a

i

a⋅−−=

−

bSK

Sμ̂μμ

dt

dX

X

1μ agosin

i

a−

+=+== Yq̂μ̂ ⋅=

1x μ

activa biomasa de producción

sistema del activa biomasaθ −==

D

1θ

QX

VXθ

a

ax ===

BALANCES DE MATERIA BÁSICOS AL SUSTRATO (S) Y BIOMASA ACTIVA (Xa)

bSK

Sq̂Yμ −

+= aut X

SK

Sq̂r

+−=

[ ]xx

x

bθ1θq̂Y

bθ1KS

+−+

= x

a bθ1

S)(SºYX

+−=

bq̂Y

bKSmin −

= Kb-b)q̂(YSº

SºK θmin

x −+= [ ]

bq̂Y

1 θ lim

minx −

=

BALANCES DE BIOMASA INERTE (XI) Y SÓLIDOS VOLÁTILES (XV)

)bθf(1XXX daoii −+= )f)Y(1S-(SXX dmin

ooimax i, −+=

x

xdn bθ1

)bθf(11YY

+−+=

x

xdºss bθ1

)bθf(11ff

+−+=

x

xdºee bθ1

)bθf(11ff

+−+

=

1. Modelos Cinéticos

2. Modelos Empíricos



BASES DE DISEÑOCONTACT

OBIOFILTRO

LECHOFLUIDIZAD

OUASB

CV (kg DQO/m3.d)THR (d)concentración fangos (kg SSV/m3)tiempo arranque (d)carga efluente (g DQO/L)

1-61-55-1020-60

10-160.75-3

1030-600.4-30

10-402-1010-4060-90

5-300.2-210-6030-90

0.3-800

1. Modelos Cinéticos

2. Modelos Empíricos









Sistema integrado anaeróbico-aeróbico

UASB + Lechos Percoladores + Sedimentación secundaria

UASBUASB

Trickling Trickling filterfilter

Tilted plate Tilted plate settling devicesettling device

Engineering

Digestion Anaerobia - Fernandez Polanco