Transcript digestión anaerobia

PRINCIPIOS DEL
TRATAMIENTO
BIOLOGICO ANAEROBIO
Fuente:
Diaz Baez, MC. Catedra Int. Salud Publica y ambiental. UNINACIONAL .
Bogota DC Junio- Julio 2008
Fuente:
Diaz Baez, MC. Catedra Int. Salud Publica y ambiental. UNINACIONAL .
Bogota DC Junio- Julio 2008
Fuente:
Diaz Baez, MC. Catedra Int. Salud Publica y ambiental. UNINACIONAL .
Bogota DC Junio- Julio 2008
Fuente:
.
Diaz Baez, MC. Catedra Int. Salud Publica y ambiental. UNINACIONAL
Bogota DC Junio- Julio 2008
Fuente:
Diaz Baez, MC. Catedra Int. Salud Publica y ambiental.
UNINACIONAL . Bogota DC Junio- Julio 2008
Fuente:
Diaz Baez, MC. Catedra Int. Salud Publica y
ambiental. UNINACIONAL .
Bogota DC JunioJulio 2008
Fuente:
Diaz Baez, MC. Catedra Int. Salud Publica y
ambiental. UNINACIONAL .
Bogota DC JunioJulio 2008
Fuente:
Diaz Baez, MC. Catedra Int. Salud Publica y ambiental.
UNINACIONAL . Bogota DC Junio- Julio 2008
Fuente:
Diaz Baez, MC. Catedra Int. Salud Publica y ambiental.
UNINACIONAL . Bogota DC Junio- Julio 2008
Fuente:
ambiental.
Diaz Baez, MC. Catedra Int. Salud Publica y
UNINACIONAL . Bogota DC Junio- Julio 2008
Fuente:
ambiental.
Diaz Baez, MC. Catedra Int. Salud Publica y
UNINACIONAL . Bogota DC Junio- Julio 2008
DIGESTIÓN
ANAEROBIA
CONTENIDO
La Digestión Anaerobia es el proceso fermentativo que
OBJETIVO
ocurre en el tratamiento anaerobio de las aguas
residuales.
CONCEPTOS
El proceso se caracteriza por la conversión de la materia
REQUISITOS
orgánica a NORMATIVOS
metano y de (NTC
CO2,GP1000:2009)
en ausencia de oxígeno y
con la interacción de diferentes poblaciones bacterianas
METODOLOGÍA
ACCIONES Y COMPROMISOS
Figura 1. Degradación Biológica de la Materia Orgánica
En el campo del tratamiento de las aguas residuales,
la contaminación orgánica es evaluada a través de la
DQO (demanda química de oxígeno), la cual mide
básicamente la concentración de materia orgánica.
La forma de apreciar lo que ocurre con la materia
orgánica en el tratamiento anaerobio de aguas
residuales, es comparando su balance de DQO con
el del tratamiento aerobio
La digestión anaerobia es un proceso de transformación
y no de destrucción de la materia orgánica.
No hay oxidación, se tiene que la DQO teórica del metano
equivale a la mayor parte de la DQO de la materia orgánica
digerida (90 a 97%), una mínima parte de la DQO es
convertida en lodo (3 a 10%). En las reacciones bioquímicas
que ocurren en la digestión anaerobia, solo una pequeña
parte de la energía libre es liberada, mientras que la mayor
parte de esa energía permanece como energía química en el
metano producido.
Tratamiento Aerobio: En este tipo de tratamiento se llevan
a cabo procesos catabólicos oxidativos. Como requiere la
presencia de un oxidante de la materia orgánica y normalmente
este no esta presente en las aguas residuales, él requiere ser
introducido artificialmente.
La forma más conveniente de introducir un oxidante es por la
disolución del oxígeno de la atmósfera, utilizando la aireación
mecánica, lo que implica altos costos operacionales del sistema
de tratamiento.
Adicionalmente la mayor parte de la DQO de la materia
orgánica es convertida en lodo, que cuenta con un alto
contenido de material vivo que debe ser estabilizado.
DEGRADACIÓN ANAEROBIA DE LA MATERIA
ORGÁNICA
1. Hidrólisis
Grupo I: bacterias hidrolíticas
2. Acidogénesis
Grupo I: bacterias fermentativas
3. Acetogénesis
Grupo II: bacterias acetogénicas
4. Metanogénesis
Grupo III: bacterias metanogénicas
ETAPAS DE LA DIGESTIÓN ANAEROBIA
Fuente: Madigan (2000); Van Haandel y Lettinga (1994)
Las diferentes etapas del tratamiento anaerobio
están asociadas con los diferentes grupos de
bacterias
Bacterias
Fermentativas
Baterías Productoras
de Acido
Bacterias
Acetogénicas
Bacterias
Metanogénicas
Facultativas y
estrictamente
Anaerobias
Anaerobias
Estrictamente
Anaerobias
La fermentación ácida tiende a bajar el pH, debido a
la producción de ácidos
grasos volátiles (AGVs) y otros productos
intermediarios, mientras que la
metanogénesis solo se desarrolla cuando el pH esta
cercano al neutro
La tasa de remoción de AGVs a través de la metanogénesis debe
acompañar la tasa de producción de AGVs, sino se da la
inestabilidad:
Baja significativamente el pH del sistema, causando la inhibición de
las bacterias metanogénicas.
Esta “Acidificación” del sistema es una de las principales causas de
falla operacional en los reactores anaerobios.
Se puede evitar cuando se garantiza un equilibrio entre la
fermentación ácida y la fermentación metanogénica, a través de
mantener una alta capacidad metanogénica y una buena capacidad
buffer en el sistema (van Haandel, 1994)
MICROBIOLOGÍA DE LA DIGESTIÓN
ANAEROBIA
Grupo I: Bacterias Hidrolíticas – Fermentativas
Anaerobias facultativas :Enterobacteriaceae , además los
géneros Bacillus, Peptostreptococcus,Propionibacterium,
Bacteroides, Micrococcus y Clostridium
Grupo II: Bacterias Acetogénicas
“organismos acetógenos productores obligados de hidrógeno
(OHPA)”
Syntrophomonas sapovorans
Syntrophobacter wolinii
Syntromonas wolfei
Syntrophospara bryantii
Syntrophus buswellii
Dentro del grupo de acetógenos existe un grupo de
bacterias conocidas como “bacterias homoacetogénicas”
Clostridium aceticum, Clostridium formicoaceticum y
Acetobacterium wooddi
Grupo III: Bacterias Metanogénicas
Archeaea
Con base en el tipo de sustrato utilizado, las bacterias metanogénicas se subdividen en
tres grupos:
Grupo 1: utiliza como fuente de energía H2 formato y ciertos alcoholes, el CO2 es el
aceptor final de electrones el cual es reducido a metano;
Grupo 2: utiliza una amplia variedad de compuestos que tienen el grupo metilo.
Algunas de las moléculas son oxidadas a CO2, el cual actúa con aceptor final de
electrones y se reduce directamente a metano;
Grupo 3: aunque la mayor parte del metano que se genera en la naturaleza proviene
del rompimiento del acetato, la habilidad de catabolizar este sustrato esta limitada a
los géneros: Methanosarcina y Methanosaeta (Methanotrix).
Es frecuente encontrar en reactores anaerobios, una competencia por el acetato
entre estos dos géneros, sin embargo, las bajas concentraciones de acetato que
usualmente predominan al interior de los reactores favorece el crecimiento de las
Methanosaeta
METABOLISMO MICROBIANO
La digestión anaerobia es un proceso biológico
natural y se desarrolla en ausencia de oxigeno
molecular, en él las poblaciones bacterianas
interactúan estrechamente para promover la
degradación estable y auto regulable de la materia
orgánica
El propósito de la digestión es reducir el
contenido volátil y los sólidos a aproximadamente
un 70% de los valores originales
ETAPAS DEL METABOLISMO
ANAERÓBICO
Hidrólisis :
Debido a que los mecanismos de transporte celular no permite el
paso de moléculas de gran peso molecular las bacterias han
desarrollado una estrategia para transformar las sustancias de
gran tamaño y peso en sustancias más simples y solubles y de
esta manera poder incorporar el material nutritivo a sus células.
Se lleva acabo principalmente por bacterias del género Clostridium
ETAPAS DEL METABOLISMO
ANAERÓBICO
•Acidogenésis : Todas las unidades sencillas sufren una
primera transformación (fermentación) a partir de lo cual
se obtiene acetato, formiato, CO2 y H2 además, etanol
succinato, propionato, y butirato.
•Acetogénesis : Algunos de los productos originados son
transformados posteriormente a acetato, además ocurre
una fermentación de ácidos orgánicos y alcoholes hasta
CO2 y H2.
ETAPAS DEL METABOLISMO
ANAERÓBICO
Metanogénesis : Finalmente ocurre la conversión
de acetato, H2 y CO2 en CH4 por bacterias
metanogénicas
FACTORES QUE PUEDEN AFECTAR LA
HIDRÓLISIS
El pH y las altas Temperaturas.
pH por debajo de 5.5 pueden interrumpir el
proceso (Loll, 1984).
el nivel degradación de ácidos de cadena larga y
de cadena corta constituyen la tasa limitante en el
proceso.
FACTORES QUE PUEDEN AFECTAR LA
METANOGENESIS
La inhibición del proceso puede ser ocasionada
por niveles altos de algunos substratos como
amoniaco y tóxicos como Cianuro. Sin embargo
también se ha observado que a niveles bajos de
estos compuestos los microorganismos pueden
adaptarse con cierta facilidad.
La carga orgánica o cantidad de materia orgánica
disponible para los organismos puede llegar a
niveles tan bajos que no sea suficiente para
mantener la dinámica de crecimiento normal de
las bacterias
Los detergentes y elementos clorados
CONVERSIÓN DE METANO A DQO
CH4 + 2O2
→
CO2 + H2O
Peso Molecular (PM) CH4 = 16 gr
Peso Molecular (PM) 2O2 = 64 gr
64 gr/16gr = 4gr DQO/gr CH4 = 1gr DQO/0.25 CH4
DENSIDAD CH4 A CONDICIONES NORMALES DE:
P = 1ATm y T = 0ºC d= 714 gr/m3
(0.25 gr CH4/gr DQO)x{1/(714 gr CH4/m3 CH4)} = (3.5 x 10-4 m3 CH4/gr DQO) x (1000
litros/1 m3)=
0.35 Litros CH4 /gr DQO
CONVERSIÓN DE METANO A DQO (1)
CONDICIONES NORMALES T = 0ºC = 273 ºK
Presión (P) = 760 mmHg = 1013 mbar = 1 AT
1 MOL
GAS = 22.4 Lts
CONDICIONES EN LA CIUAD DE CALI
T = 25ºC = 298 ºK
LEY DE GASES IDEALES PV = NRT
P = PRESIÓN
T = TEMPERATURA
N = No MOLES
ViPiTo = VoPoTi
Entonces
Vi = Po/PixTi/ ToxVo
De esto tenemos que:
Vi = 760/660x298/273x0.35
Ahora
P = 660 mmHg
CONVERSIÓN DE METANO A DQO (2)
Vi = 0.439 Lts CH4/gr DQO ≈ 0.44 Lts CH4/gr DQO
VENTAJAS
BAJA PRODUCCIÓN DE SÓLIDOS CERCA DE 2 A 8 VECES
INFERIOR AL QUE OCURRE EN LOS TRATAMIENTOS
AEROBIOS.
BAJO
CONSUMO
OPERACIONALES.
DE
ENERGÍA,
BAJOS
COSTOS
BAJA DEMANDA DE AREA.
BAJOS COSTOS DE IMPLEMENTACIÓN DEL GRADIENTE DE 20
A 30 DOLARES POR ….
PROCUCCIÓN DE METANO, COMBUSTIBLE DE ALTO PODER
CALORIFICO.
Fuente: Adapatado de Chen Chero y Campos 1995, Von Sepling 1995, Lettings et al 1996
VENTAJAS
POSIBILIDAD
DE
PRESERVACIÓN
DE
BIOMASA
ALIMENTACIÓN DEL REACTOR POR VARIOS MESES.
TOLERANCIA A ELEVADAS CARGAS ORGÁNICAS.
APLICABILIDAD EN PEQUEÑAS Y GRANDES ESCALAS.
BAJO CONSUMO DE NUTRIENTES.
Fuente: Adapatado de Chen Chero y Campos 1995, Von Sepling 1995, Lettings et al 1996
SIN
DESVENTAJAS
REMOCIÓN DE NUTRIENTES, FÓSFORO Y PATÓGENOS BAJOS.
PRODUCCIÓN DE EFLUENTES CON CALIDAD INSUFICIENTE
PARA ATENDER LA NECESIDAD AMBIENTAL. REQUIERE
POSTRATAMIENTO.
POSIBILIDADES DE DESESTABILIZACIÓN DEBIDO A CHOQUES
DE CARGA ORGÁNICA E HIDRÁULICA POR PRESENCIA DE
COMPUESTOS TÓXICOS EN AUSENCIAS DE NUTRIENTES.
Fuente: Adapatado de Chen Chero y Campos 1995, Von Sepling 1995, Lettings et al 1996
DESVENTAJAS
BIOQUIMICA Y MICROBIOLOGICA DE LA DISGESTIÓN
ANAEROBIA SON COMPLEJAS Y NECESITAN SER MÁS
ESTUDIADAS.
EL ARRANQUE DEL PROCESO
AUSENCIA DE LODO ADAPTADO.
PUEDE
SER
LETAL EN
POSIBILIDAD DE GENERACIÓN DE MALOS OLORES Y
PROBLEMAS DE CORROSIÓN PUEDEN SER CONTROLADOS.
Fuente: Adapatado de Chen Chero y Campos 1995, Von Sepling 1995, Lettings et al 1996
DESVENTAJA
• BAJA VELOCIDAD DE CRECIMIENTO Y
ACTIVIDAD DE LAS BACTERIAS
AEROBICAS.
• LARGOS PERIODOS DE TIEMPO PARA EL
ARRANQUE DE LOS SISTEMAS DE
TRATAMIENTO.
• LA TASA DE CRECIMIENTO DE LAS
BACTERIAS FERMENTADORAS ES MAS
RAPIDA QUE LAS METANOGENICASACETOCLASTICAS.
Fuente: Adapatado de Chen Chero y Campos 1995, Von Sepling 1995, Lettings et al 1996
MATERIALES TÓXICOS Y SU (CONTROL)
1- CUALQUIER ELEMENTO PRESENTE EN CONCENTRACIONES
SUFICIENTEMENTE ELEVADAS PUEDEN SER TÓXICOS. (MAYORES
TIEMPOS DE RETENCIÓN, DILUCIÓN DE LA TOXICIDAD Y FORMACIÓN
DE COMPLEJOS INSOLUBLES Y SU PRECIPITACIÓN).
2- TOXICIDAD POR SALES, ASOCIADAS POR LOS CATIONES O
ANIONES DE LA SAL. (REDUCCIÓN CON UN ION ANTAGÓNICO)
3- TOXICIDAD POR AMONIA MAYOR QUE 150 mg/l
4- TOXICIDAD POR SULFATOS, POR ENCIMA DE 200 mg/l
5- TOXINAS INORGÁNICAS COMO ARSENICO, CROMO Y ZINC
TRATAMIENTO ANAEROBIO
• PROCESOS METABOLICOS MENOS
EFICIENTES QUE EL METABOLISMO
AEROBICO, LIBERARAN MATERIA
ORGANICA RICA EN ENERGIA DEL
SUSTRATO.
• LA VELOCIDAD DE CRECIMIENTO Y
ACTIVIDAD DE LAS BACTERIAS
ANAEROBICAS SON MENORES.
• LOS COMPUESTOS ORGANICOS
(DQO) SON DEGREDADOS
(DIGERIDOS) POR LA COMBINACION
DE 4 GRANDES TIPOS DE BACTERIAS
ANAEROBICAS.
• LAS BACTERIAS FERMENTATIVAS
PRODUCEN LAS ENZIMAS Y LAS
EXCRETAN FUERA DE LA CELULA
CUANDO ESTAN EN MONOMEROS
PUEDEN ATRAVESAR SU
MEMBRANA CELULAR .
• EL C2 Y H2 , PROVIENEN DE LA
FERMENTACION Y DE LA ACETOGENESIS .
SON SUSTRATOS METANOGENICOS: LAS
CELULAS MATABOLIZA A CH4
• METANOGENICAS AUTOTROFICAS (30%)
• METANOGENICAS ACETOCLASTICAS
(70%)
INHIBICION DE LA
METANOGENESIS POR LA
FERMENTACION
• TOXICIDAD DE AGV.
• PH = 7 – 8 ACIDO ORGANICO ESTAN PRESENTE EN SU
MAYORIA EN FORMA ILIMITADA (NO TOXICA).
• PH BAJO: AGV DISOCIADO (TOXICO) 50%
• PH =5: AGV DISOCIADO 50%
• CONCENTRACION C2 Y C3 NO DISOCIADO DE 16 Y 6 mg
DQO/C, CAUSA 50% INHIBICION.
LA TOXICIDAD DE LOS AGV DEPENDE DEL PH POR ESTO HAY
QUE CONTROLARLO CON CAL.
FACTORES AMBIENTALES
• PH MENOR QUE 6 Y AGV NO
IONIZADOR INHIBEN BACTERIAS
METANOGENICAS.
• PH=4.5 BACTERIAS FERMENTATIVAS
CUANDO LA CAPACIDAD BUFFER NO
ACTUA Y HAY ALTOS AGV EL
REACTOR SERA DE CAIDIFICACION.
TEMPERATURA
• PSICROFILICAS (0 – 20 ºC)
• MESOFILICAS (20 – 40 ºC)
• TERMIFILICAS (45 – 65 ºC)
POBLACION DISMINUYE 50% POR
CADA 10ºC DE DESCENSO POR
DEBAJO DE 35ºC, CUANDO LA
TEMPERATURA BAJA LA CARGA
DEBE DISMINUIR.
NUTRIENTES
• LOS AFLUENTES DE INDUSTRIAS
PAPELERAS, ALMIDON, Y ALCOHOL
PUEDEN TENER DEFICIENCIAS EN
MICRONUTRIENTES ESENCIALES
COMO N, P, S. EL CRECIMIENTO ESTA
LIMITADO.
LAS AGUAS RESIDUALES DOMESTICAS
POSEEN ESTOS MICRONUTRIENTES.
ESTAPAS LIMITANTES
• UTILIACION DQOBD (BIODEGRADABLE)/SST
CUANDO LA DQOBD = SUSTRATO FACIL/
BIODEGRADABLES.
LA ETAPA LIMITANTE ES LA METANOGENESIS;
LAS BACTERIAS FERMENTATIVAS 8 VECES MAS
RAPIDO QUE LA METANOGENESIS.
SE ACUMULAN AGV SI LA VELOCIDAD DE CARGA
EXEDE LA CAPACIDAD METANOGENICA (PH
BAJO Y AGV ALTOS PUEDE SER TOXICO)