Tratamiento anaerobico

Transcripción

1 Tratamiento anaerobico

2 Proceso Anaeróbico La digestión anaeróbica es un proceso biológico complejo y degradativo en el cual parte de los materiales orgánicos de un substrato (residuos animales y vegetales) son convertidos en biogás, mezcla de dióxido de carbono y metano con trazas de otros elementos, por un consorcio de bacterias que son sensibles o completamente inhibidas por el oxígeno o sus precursores Utilizando el proceso de digestión anaeróbica es posible convertir gran cantidad de residuos, vegetales, estiércoles, efluentes de la industria alimentaria y fermentativa, de la industria papelera y de algunas industrias químicas, en subproductos útiles. En la digestión anaerobia más del 90% de la energía disponible por oxidación directa se transforma en metano, consumiéndose sólo un 10% de la energía en crecimiento bacteriano frente al 50% consumido en un sistema aeróbico. En la digestión anaeróbica, los microorganismos metanogénicos desempeñan la función de enzimas respiratorios y, junto con las bacterias no metanogénicas, constituyen una cadena alimentaria que guarda relación con las cadenas enzimáticas de células aeróbicas. De esta forma, los residuos orgánicos se transforman completamente en biogás que abandona el sistema. Sin embargo, el biogás generado suele estar contaminado con diferentes componentes, que pueden complicar el manejo y aprovechamiento del mismo.

3 Etapas de la fermentación metanogénica 1. Hidrólisis 2. Etapa fermentativa o acidogénica 3. Etapa acetogénica 4. Etapa metanogénica La primera fase es la hidrólisis de partículas y moléculas complejas (proteínas, carbohidratos y lípidos) que son hidrolizadas por enzimas extracelulares producidas por los microorganismos acidogénicos o fermentativos. Como resultado se producen compuestos solubles más sencillos (aminoácidos, azúcares y ácidos grasos de cadena larga) que serán metabolizados por las bacterias acidogénicas dando lugar, principalmente, a ácidos grasos de cadena corta, alcoholes, hidrógeno, dióxido de carbono y otros productos intermedios. Los ácidos grasos de cadena corta son transformados en ácido acético, hidrógeno y dióxido de carbono, mediante la acción de los microorganismos acetogénicos. Por último, los microorganismos metanogénicos producen metano a partir de ácido acético, H2 y CO2

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5 Biogas Un metro cúbico de biogás totalmente combustionado es suficiente para: - Generar 6 horas de luz equivalente a un bombillo de 60 watt. - Poner a funcionar un refrigerador de 1 m3 de capacidad durante 1hora. - Hacer funcionar una incubadora de 1 m3 de capacidad durante 30 minutos. - Hacer funcionar un motor de 1 HP durante 2 horas.

6 APLICACIONES DE LA DIGESTIÓN ANAERÓBICA El proceso de digestión anaeróbica ha sido aplicado a muchos residuos humanos, agrícolas y de transformación, por ejemplo: Lodo residual municipal Estiércol de ganado vacuno lechero y de abasto Estiércol de ganado ovino Estiércol de ganado porcino Estiércol de aves de corral Residuos de la transformación de la papa Residuos de molinos de aceite de oliva

7 Biodigestor - Aplicaciones A pequeña y mediana escala, el biogas ha sido utilizado en la mayor parte de los casos para cocinar en combustión directa en estufas simples. Sin embargo, también puede ser utilizado para iluminación, y para calefacción. También ayuda a la transformación de los desechos. Mejora de la capacidad fertilizante del estiércol Control de patógenos Control de olores El efluente se puede usar como alimento en lombricultura

8 Biodigestor - Parámetros Considerando que las bacterias son el ingrediente esencial del proceso, por ello es necesario mantenerlas en condiciones que permitan asegurar y optimizar su ciclo biológico. Los principales parámetros en la producción del biogas son: Temperatura Concentración de la carga Tiempo de retención Relación Carbono/Nitrógeno/Fosforo ph Acidez/alcalinidad Agitación

9 TEMPERATURA

10 CONCENTRACION DE LA CARGA Optimo: 7%,9% ST Húmedo: < % ST Semi-seco: entre y 22-23% Seco: > 22-23% (hasta 40%ST)

11 ph Aceptable: 6,5-7,5 > 8,0: acumulación de compuestos alcalinos Mantener el N amoniacal <2000 mg/l (inhibe flora microbiana) < 6,0: descompensación fase acidogenica y metanogenica Concentraciones < 200 mg/l de sulfuro con ph< 6,5 inhibe flora microbiana Evitar introducir compuestos tóxicos Adicionar cal o agua con cal.

12 AGITACION Aumenta contaco bacteria-materia prima Termofilicos: agitacion continua Mesofilicos: agitacion intermitente suave Se obtiene por bombeo, agitacion mecanica con paletas, recirculacion de biogas,

13 ACIDEZ/ALCALINIDAD La alcalinidad es especialmente importante para la fermentación anaeróbica para maximizar la producción de metano. La alcalinidad representa la capacidad buffer del sistema, manteniendo en el digestor un ph estable y así se logra una actividad biológica óptima El contenido de Ácidos Grasos Volátiles (AGV) -producto de las bacterias acidogénicas- como la alcalinidad, definen la estabilidad del proceso respecto a la disponibilidad de suficiente actividad metanogénica. La acidez es sumamente importante en los sistemas secos y semisecos (de alta concentración) y con residuos provenientes de la fracción orgánica (compuesto por comida, frutas, vegetales y de jardín) ya que se incrementa considerablemente durante los primeros días por su rápida biodegradabilidad

14 TIEMPO DE RETENCION varía con las diferentes tecnologías empleadas (seco o húmedo alta o baja carga), temperatura del proceso y la composición de los residuos. para biodigestores mesofílicos :25 y 40 días para los termofílicos: 15 y 30 días.

15 RELACION C:N:P indica la cantidad de nutrientes para el crecimiento de los microorganismos. La relación óptima es de 25:4:1 Una alta concentración de carbono respecto al nitrógeno, resulta en una baja producción de biogás por el rápido consumo de nitrógeno por parte de las bacterias metanogénicas. Una baja relación provoca acumulación y posterior intoxicación con amonio de las bacterias. La fracción orgánica de los residuos urbanos ampliamente satisface esta relación.

16 TIPOS DE DIGESTORES ANAERÓBICOS Tipo de proceso Continuo: permanentemente se está incorporando carga fresca al sistema y se descarga el digerido. Discontinuo (batch): requiere de la descarga de productos una vez que se digirió todo el sustrato y nuevamente se lo carga para iniciar el ciclo con un sustrato fresco. Número de etapa: según el número de reactores usados Simple (Una): Todas las etapas de la digestión anaeróbica (hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis) ocurren en un solo digestor. Dos: Las etapas de hidrólisis y acidogénesis ocurren en un reactor y la metanogénesis se desarrolla en uno distinto. Esto generalmente se realiza para evitar la acidificación del proceso, previniendo inhibición del proceso. Múltiple (tres o más): Cada una de las etapas de la digestión anaeróbica se realiza en un reactor distinto. También se utiliza cuando el proceso es semicontinuo

17 TIPOS DE DIGESTORES ANAERÓBICOS Temperatura de operación: Psicrofílicos: los microorganismos de este tipo se desarrolla entre 0 y 20 C pero los procesos se operan aproximadamente entre 10 y 20 C. Termofílico: el rango de temperatura de trabajo es superior a los 40ºC, generalmente es de 55-60ºC. Mesofílico: se trabaja entre los 25-37ºC de temperatura. Tipo de carga: (sustrato) FO segregada en fuente: cuando la fracción orgánica ya viene separada de los domicilios que son los generadores de la misma. FO segregada mecánicamente: cuando la fracción orgánica viene de la fuente de generación (vivienda) sin separar a una planta de tratamiento en donde por diferentes métodos se separan las demás fracciones y la orgánica se la destina al tratamiento biológico RSD (sin segregación): cuando todas las fracciones de los residuos domiciliarios son dispuestos en el reactor (similar a un relleno sanitario)

18 Tipo de biodigestores Componentes de un digestor: Reactor o contenedor de las materias primas a digerir Contenedor de gas, con los accesorios para salida de biogás, Entrada o carga de materias orgánicas primas Salida o descarga de materias orgánicas estabilizadas.

19 Biodigestor - Características Para una buena operación: Hermético, para evitar fugas de gas. Térmicamente aislado, para evitar cambios bruscos de temperatura Acceso para mantenimiento Debe tener un medio para romper las natas que se forman

20 Modelo chino dias de retención v/v Poco eficiente para generar

21 Modelo indiano dias de retención v/v Buena eficiencia en

22 Biodigestor de polietileno

23 Criterios a tener en cuenta a) Inversión que se está dispuesto a realizar. b) Energía que se quiere obtener. c) La biomasa con que se cuenta para alimentar el digestor. d) Las características del lugar en cuanto a profundidad del nivel freático o mantos rocosos. e) El tamaño requerido del digestor

24 Elección del sitio para el biodigestor a) Debe estar cerca del lugar donde se consumirá el gas, pues las tuberías son caras y las presiones obtenibles no permiten el transporte a distancias mayores de 30 metros. b) Se debe encontrar cerca del lugar donde se recogen los desperdicios para evitar el acarreo que tarde o temprano atentará contra una operación correcta del biodigestor, e implicara mayores costos. c) Debe estar en un lugar cercano al de almacenamiento del efluente y con una pendiente adecuada para facilitar el transporte y salida del mismo. d) Debe estar a por lo menos metros de cualquier fuente de agua para evitar posibles contaminaciones. e) Debe ubicarse preferentemente protegido de vientos fríos y donde se mantenga relativamente estable la temperatura, tratando de que reciba el máximo de energía solar

25 FACTORES DE PRODUCCIÓN DE BIOGÁS FACTOR DE CARGA ORGÁNICA TIEMPO MEDIO DE RESIDENCIA CELULAR TIEMPO DE RETENCIÓN HIDRÁULICO TEMPERATURA DE OPERACIÓN

26 FACTOR DE CARGA ORGÁNICA Kg s de Sólidos Volátiles (VS) añadidos por día por m 3 de capacidad del digestor Los digestores de tasa estándar están entre 0.5 y 1.6 Kg/m 3 - d Los digestores de alta tasa están entre 1.6 y 6.4 Kg/m 3 -d Dependen de las concentraciones de lodo

27 TIEMPO MEDIO DE RESIDENCIA CELULAR La cantidad de tiempo que las bacterias tienen que estar en contacto con la carga orgánica El tiempo medio de residencia celular es la masa de células en el reactor dividida entre la masa de células agotada por día Para digestores de régimen continuo o plug flow (de tipo tubular) sin remezclado, el tiempo medio de residencia celular es el mismo que el tiempo de retención hidráulico La eficiencia de la reducción de los sólidos volátiles se ve enormemente afectada por el tiempo y la temperatura

28 TIEMPO DE RETENCIÓN HIDRÁULICO El tiempo de retención hidráulico es el volumen del digestor dividido entre la velocidad de flujo, V/Q El tiempo de retención hidráulico debe ser lo suficientemente largo para evitar el escape de biomasa activa

29 TEMPERATURA DE OPERACIÓN Los organismo anaeróbicos, particularmente los metanógenos, son fácilmente inhibidos incluso por pequeños cambios en la temperatura. Lo más común es operar digestores de alta tasa entre 30 y 38 grados C (mesofílicos)

30 PRODUCCIÓN DE BIOGÁS En digestores de alta tasa, la producción de gas oscilará típicamente entre 0.5 y 0.75 m 3 /Kg de sólidos volátiles añadidos; o De 0.75 a 1.12 m 3 /Kg de sólidos volátiles destruidos

31 CAPTACIÓN DE BIOGÁS No se debe permitir que el gas y el aire se mezclen, o puede resultar una mezcla explosiva Las tuberías de gas y las válvulas de seguridad deben incluir apagallamas Cubierta flotante o cubierta fija para el digestor Debe proveerse almacenamiento de gas Pueden considerarse compresores de gas

32 USO DEL BIOGÁS Un m 3 de metano a temperatura estándar (STP) tiene un valor de calefacción de 35,800 kj/m 3 El gas de tanque digestor de alta tasa promedia el 65% del metano, el valor neto de calefacción es de 22,400 kj/m 3 Combustible para caldera Combustible para motores de combustión interna Agua caliente para calefacción del ambiente o afluente del digestor