Ingeniería de la digestión anaerobia y de la purificación del agua residual

Transcripción

1 CURSO SOBRE TECNOLOGÍAS ANAEROBIAS PARA LA DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES EN EL CONTEXTO LATINOAMERICANO Universidad Nacional de Colombia sede Manizales Manizales, Febrero 13 al 17 de 2012 Ingeniería de la digestión anaerobia y de la purificación del agua residual Francisco José Molina Pérez Profesor Grupo de Investigación en Gestión y Modelación Ambiental - GAIA Facultad de Ingeniería Universidad de Antioquia fmolina@udea.edu.co

2 Aspectos relevantes Niveles de tratamiento Ingeniería y Microbiología un objetivo común Residuos o Energía? Oxidación aerobia vs fermentación anaerobia Un riesgo: la acidificación del proceso Retención de biomasa

3 La Ingeniería Es la profesión que usa los conocimientos en ciencias naturales y matemáticas adquiridos mediante el estudio, la experiencia o la práctica para modificar procesos, oficios y materiales de la naturaleza en beneficio del hombre Consejo Profesional de Ingeniería de los Estados Unidos

4 Ingeniería del tratamiento de residuos Residuos Entender los fenómenos naturales, modelarlos, optimizarlos y utilizarlos Reducir contaminación Recuperar energía y materia Optimizar el cierre de ciclos naturales

5 Tratamiento de las aguas residuales De lo fácil a lo difícil utilizando los fenómenos naturales Atrapar los sólidos gruesos Atrapar los sólidos sedimentables Transformar los sólidos disueltos Estabilizar lodos Recuperar energía Biomasa (SSV) Gases CH 4 Recuperar Energía

6 Niveles básicos de tratamiento Biogás Sed. 1 Digestión Anaerobia ARD y ARI Sólidos Gruesos Biosólidos Arenas Biogás Digestión. anaerobia lodos. Lodos Primarios Lodos Secundarios Lodos activados Sed. 2

7 Eficiencias típicas de los niveles básicos de tratamiento Nivel de tratamiento Contaminantes removidos Eficiencias de remoción % SS DBO Coliformes Mecanismos predominantes Preliminar Sólidos gruesos Físicos Primario Sólidos suspendidos DBO particulada Físicos Secundario DBO soluble DBO particulada fina Sólidos no sedimentables Patógenos Biológicos Adaptado de Qasim, 1999

8 Procesos biológicos: Ingeniería y microbiología, dos enfoques, una finalidad Caja Negra? Enfoque Microbiológico Enfoque Ingenieril u u K SUSTRATOS max s S S PROCESO BIOLÓGICO PRODUCTOS Adaptado de Díaz et al., 2002

9 Modelación matemática de los procesos, entender y utilizar la naturaleza Algoritmos y modelos que definen en términos cuantificables el comportamiento del proceso biológico Conocimiento del proceso, aporte de la microbiología (Abrir la caja negra) Construcción del modelo: ensamble de cinética / estequiometría / hidráulica

10 Modelación matemática de los u u K max Cinética procesos biológicos S S Caja Negra? s Caja Negra? Estequiometría na+mb pc+qd Balances de masa Hidráulica t d =V/Q Modelo matemático del proceso biológico Molina, 2011

11 Modelo ADM1 Modelación matemática de los procesos biológicos, físicos y químicos involucrados en el reactor ds liq, i dt Tasa neta de cambio q V S liq in, i q entrada V S liq liq, i j119 salida j Cambio por reacción i, j 19 procesos en el ADM1

12 El agua residual, residuo o energía disponible? Materia orgánica fuente de energía para los microrganismos (energía disponible) Los microrganismos almacenan energía a través de la síntesis de biomasa Como estimar la energía disponible en el agua residual?

13 DQO como estimador de la energía disponible en la materia orgánica Compuesto Energía disponible Kcal/Mol Kcal/g DQO Kcal/g TOC Ácido Cítrico 916 3,58 7,16 Ácido Láctico 326 3,39 9,05 Ácido Acético 207 3,23 8,62 Fenol 723 3,22 10,01 Acetona 410 3,20 12,18 Ácido Palmítico ,18 12,18 Etanol 312 3,27 13,08 Metanol 165 3,44 13,76 Etano 344 3,07 14,33 Metano 191 2,98 15,88 Valor medio de 3,3 KCal / gdqo. Adaptado de van Haandel y Lettinga, 1994

14 Como utilizan la energía los microrganismos? El Metabolismo Metabolismo del material orgánico ANABOLISMO CATABOLISMO Células nuevas Productos + Energía DECAIMIENTO BACTERIANO Calor al ambiente Residuo endógeno Adaptado de van Haandel y Lettinga, 1994

15 Catabolismo oxidativo Reacción redox en la cual el material orgánico es el reductor que es oxidado por un oxidante presente en el agua, en este caso el oxígeno molecular ó en algunos casos los nitratos ó sulfatos. En la oxidación se pierden electrones, para lo cual se requiere de un aceptor de electrones papel que cumple el oxígeno.

16 Catabolismo oxidativo O H y xco O z y x O H C z y x Existe por lo tanto transferencia intermolecular de electrones. La mayoría de los compuestos orgánicos pierden átomos de hidrógeno como resultado de la remoción de electrones O H O H e

17 Catabolismo fermentativo No existe un oxidante Se genera un reordenamiento de los electrones (transferencia intramolecular) Se forman al mínimo 2 productos, uno más reducido y otro más oxidado respecto a la molécula original

18 Catabolismo fermentativo La fermentación total de la materia orgánica produce CO 2 (la forma más oxidada del carbono) y CH 4 (la forma más reducida del carbono) La digestión anaerobia por lo tanto es un proceso de transformación y no de destrucción de la materia orgánica, la capacidad de transferencia de electrones del material orgánico y por lo tanto su energía disponible permanece en gran medida en el metano generado C x H y O z 4x y 2z 4 4x y 2z CO 8 4x y 2z CH 8 H2O 2 4

19 Anabolismo Síntesis de nueva biomasa a partir del material orgánico utilizando parte de la energía útil liberada por el catabolismo Y dx ( ) df Y: Coeficiente de rendimiento X: Concentración de biomasa expresada como SSV F: Concentración de sustrato expresado como DBO metabolizada

20 Síntesis de biomasa Tipo de Catabolismo Valor del coeficiente de rendimiento (Y) g SSV / g DBO removida Referencia Oxidativo 0,45 Ekama y Marais, 1976 Fermentativo 0,02 McCarty, 1990 Fuente: van Haandel y Lettinga, 1994

21 Energía almacenada en la biomasa La composición de la biomasa se puede escribir en forma aproximada como: C 5 H 7 NO 2 C 5 H 7 NO 113 g C 5 2 H 5O 7 NO 2 2 5CO 1g de biomasa (SSV) 1,42 g de O g O 2H 2 2 O NH 2 3

22 Metabolismo aerobio Metabolismo anaerobio CATABOLISMO: 33 % CATABOLISMO: 97 % ANABOLISMO: 67 % ANABOLISMO: 3 % ANABOLISMO: Energía utilizada en la síntesis de nueva biomasa CATABOLISMO: Energía utilizada en producir energía o energía almacenada en productos del proceso diferentes a la biomasa

23 Dos caminos Biogás Tratamiento preliminar Sed. 1 Digestión Anaerobia Biosólidos Biosólidos Biogás Digestión. anaerobia lodos. Lodos Primarios Lodos Secundarios Lodos activados Sed. 2

24 La digestión anaerobia un entramado de procesos biológicos y fisicoquímicos CH 4, CO 2 Metanogénesis Carbohidratos Lípidos Proteínas Azúcares Ácidos grasos Aminoácidos AGV y Alcoholes H 2, CO 2, NH 3 H 2, CO 2, ácido acético Hidrólisis Acidogénesis Acetogénesis

25 Modelo ADM1 Modelación matemática de los procesos biológicos, físicos y químicos involucrados en el reactor ds liq, i dt Tasa neta de cambio q V S liq in, i q entrada V S liq liq, i j119 salida j Cambio por reacción i, j 19 procesos en el ADM1

26 Simplificación del proceso Dos etapas principales: Acidogénesis y Metanogénesis, suponiendo que la Hidrólisis es muy rápida y que se genera fundamentalmente ácido acético en la acidogénesis. Bacterias Acidogénicas DQO AGV + CO 2 Alta velocidad ETAPA LIMITANTE Arqueas Metanogénicas AGV CH 4 + CO 2 Baja velocidad

27 Algunas implicaciones La acidificación y falla del sistema Desbalance entre producción de AGV y su metanogenización Acumulación de AGV Inhibición y toxicidad Metanogénesis Consumo de alcalinidad y acidificación

28 Capacidad Tampón (meq.l -1.pH -1 ) Alcalinidad: capacidad de neutralizar ácidos Componente pka ácido acético 4.75 ácido propiónico 4.87 ácido n-butírico 4.81 ácido iso-butírico 4.84 ácido n-valérico 4.82 ácido iso-valérico ,0E-02 1,6E-02 1,2E-02 Perfil de capacidad tampón H 2 CO 3 HCO H HCO - 3 CO H H 3 PO 4 H 2 PO H H 2 PO - 4 HPO H HPO 2-4 PO H NH + 4 NH 3 + H H 2 S HS - + H ,0E-03 4,0E-03 0,0E ph AGV Bicarbonato AGV + Bicarbonato

29 ph inicial AP: Alcalinidad Parcial ph=5,75 AT: Alcalinidad Total= AP+AI AI: Alcalinidad Intermedia ph=4,30

30 La alcalinidad como parámetro de control Varios autores han establecido que un parámetro adecuado para el control del proceso de digestión anaerobia es la relación entre las alcalinidades intermedia y total (AI/AT), recomendando para evitar la acumulación de ácidos orgánicos en el sistema, no superar el valor de 0,3 en dicha relación (Ripley et al., 1986; Switzembaum et al., 1990; Soto et al., 1993a; Wentzel et al., 1994).

31 Ácido acético (mg.l -1 ) Bicarbonato (meq.l -1 ) VCO (kg DQO.m -3.d -1 ) 30 Efecto de una sobrecarga orgánica en la capacidad tampón del reactor Tiempo (h) Molina et al. (2009) Environ. Eng. Sci Tiempo(h) 0

32 Acetate equivalent (mg/l) Alkalinity ratio , , , , , , Time(h) 0,00 Molina et al. (2009) Environ. Eng. Sci.

33 Biogas flowrate (L/h) ph in the reactor Time(h) Molina et al. (2009) Environ. Eng. Sci. 3

34 Retención de la biomasa El éxito del tratamiento biológico de las aguas residuales depende de la cantidad y calidad de la biomasa que se desarrolla en el bio-reactor Para alcanzar una cantidad adecuada de biomasa se requiere de la permanencia de la misma dentro del sistema, dicho período de tiempo se denomina tiempo de retención celular (θ c ) De otro lado con el fin de reducir el volumen de los reactores utilizados es necesario desacoplar el tiempo de retención celular respecto del tiempo de retención hidráulico, logrando que: θ c >> TRH

35 Tratamiento secundario de aguas residuales industriales y aguas residuales domésticas REACTOR UASB Biomasa granular, Lettinga y colaboradores Biogas (CH 4 +CO 2 ) efluente Separador de fases Lecho de lodo Influente Fuente:

36 Conclusiones Materia orgánica: Contaminación o Fuente de energía? La DQO un buen estimador de la energía disponible de un residuo Microbiología Ingeniería: alianza fundamental en la valorización y tratamiento de residuos La alcalinidad disponible: protección de la salud de los reactores anaerobios La clave de los reactores UASB: La auto-inmovilización del lodo granular y su alta actividad metanogénica

37 CURSO SOBRE TECNOLOGÍAS ANAEROBIAS PARA LA DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES EN EL CONTEXTO LATINOAMERICANO Universidad Nacional de Colombia sede Manizales Manizales, Febrero 13 al 17 de 2012 Muchas gracias por la atención!