INGENIERÍA HIDRÁULICA Y AMBIENTAL, VOL. XXIII, No. 1, 2002
Bernardino Díaz Brooks, Ingeniero en Riego y Drenaje, Especialista en Proyecto, Empresa de Investigaciones y Proyectos Hidráulicos, Villa Clara
e-mail: eiphv@ip.etecsa.cu
Estado del arte sobre el tratamiento biológico
para los residuales de Punta Periquillo II.
Digestión Anaerobia
Noviembre del 2001Resumen / Abstract
INTRODUCCIÓN
Se presentan los fundamentos del tratamiento biológico, en que basa su funcionamiento una planta del modelo "GBV " ubicada en Punta Periquillo y los factores que pueden afectar su buen funcionamiento así como los que puedan inhibirlo. Proceso anaerobio.
Palabras clave: aerobio, anaerobio, metabolismo, coagulación, hidrolización, acidificación.
In this work the foundations of the biological treatment are presented, in that you base their operation one plant of the model "GBV" been located in Periquillo Point and the factors that they could affect their good operation so; as those that can inhibit it. Anaerobic process.
Key words: aerobic, anaerobic, metabolism, coagulation hydrolysis, acidification
El artículo constituye la segunda parte del "Estado del arte sobre el tratamiento biológico para los residuales de Punta Periquillo", correspondiendo esta parte específicamente a la Digestión Anaerobia.
La digestión anaerobia1 es uno de los procesos más
antiguos empleados en la estabilización de fangos. En este proceso se produce la descomposición de la materia orgánica e inorgánica en ausencia de oxígeno molecular. Sus principales aplicaciones han sido, y siguen siendo hoy en día, la estabilización de fangos concentrados producidos en el tratamiento del agua residual y de determinados residuos industriales sin embargo, recientemente se ha demostrado que los residuos orgánicos diluidos también se pueden tratar anaerobicamente. Esta digestión es considerada como
un proceso biológico de complejas reacciones y procesos bioquímicos asociados a la actividad
bacteriana de determinadas especies, por ende tiene una fuerte dependencia de la composición del sustrato.
El proceso se lleva a cabo en un reactor completamente cerrado (digestor), en el cual ocurren una serie de reacciones bioquímicas sobre la materia orgánica presente en los fangos.
La conversión de los fangos orgánicos y de los residuos se lleva a cabo mediante la acción conjunta de diferentes organismos anaerobios. Un grupo de microorganismos se ocupa de la hidrolización de los polímeros orgánicos y de los lípidos para formar elementos estructurales básicos como los monosacáridos, los aminoácidos y los compuestos relacionados con estos. Un segundo grupo de bacterias anaerobias, fermentan los productos de la
descomposición para producir ácidos orgánicos simples, presentándose con mayor frecuencia en los digestores orgánicos el ácido acético. Este grupo de micro-organismos, que recibe el nombre de no metanogénicos, está formado por bacterias facultativas y anaerobias estrictas, aunque de forma colectiva se conocen como bacterias "formadoras de ácido". Entre las bacterias no-metanogénicas que se han podido aislar en los digestores se encuentran: Clostridium spp, Peptocooeus Anaerobus, Bifidobacterium spp, Desulphovibrio spp, Coaxnebacterium spp, Lactobacillos, Actinomyces, staphilococcus y Escherichia coli. Otros grupos fisiológicos presentes
incluyen los que producen enzimas proteolícitas, lipolíticas, ureolíticas o celulíticas.2,3
Un tercer grupo de microorganismos convierte él hidrógeno y el ácido acético, originado por las bacterias formadoras de ácidos en gas metano y en dióxido de carbono. Las bacterias responsables de este proceso son anaerobias estrictas y se conocen como metanogénicas
o formadoras de metano.
Los principales géneros de microorganismos que se han identificado incluyen los bastoncillos (Metha-nobacterium, Methanobacciullus ) y las esferas (Methanococcus, Methanosarcina). Las bacterias más importantes de este grupo, son las que degradan el ácido acético y el ácido propionoico, tienen tasa de crecimiento muy lentas, razón por la cual se considera que su metabolismo es un factor limitante del tratamiento anaerobio de los residuos orgánicos. En la digestión anaerobia, la estabilización se alcanza cuando se produce metano y dióxido de carbono.
En un digestor anaerobio, hay dos vías principales de producción de metano.
•
La conversión de hidrógeno y dióxido de carbono en metano y agua. O 2H CH CO 4H2+ 2 ⇒ 4+ 2•
La conversión de acetato en metano y dióxido de carbono.2 4
3COOH CH CO
CH ⇒ +
Los organismos metanogénicos y los ácidogénicos comparten una relación "sin trópica" (mutuamente bene-ficiosa) en las que los metanogénicos convierten el metano y dióxido de carbono en los productos finales de la fermentación, tales como el hidrógeno, el formiato o el acetato. Los metanogénicos son capaces de utilizar el hidrógeno producido por los organismos ácidogénicos debido a su eficiencia en la hidrogénisis.
Las bacterias metanogénicas eliminan compuestos que pueden inhibir el crecimiento de los microorganismos ácidogénicos.
Las condiciones óptimas para la digestión anaerobia, así como sus rangos han sido estudiadas por numerosos investigadores, los cuales no siempre coinciden en sus conclusiones. Algunas de las posibles razones de dichas discrepancias radican en las diferencias del material que alimenta los digestores, empleo de metodologías diferentes, además de que es muy dificil establecer comparaciones de igual base ante el empleo de sustrato de naturaleza distinta, y los parámetros empleados para estos análisis no siempre coinciden plenamente.4,5
Temperatura de la digestión
La digestión anaerobia y la producción de gas puede ocurrir en un amplio rango de temperaturas que normalmente va de 4-600 o C, siempre y cuando esta se
mantenga constante, investigaciones realizadas demostraron que esta puede existir incluso a temperaturas mínimas de 0 o C.
Existen rangos de temperatura bien específicos en los cuales se observarán los mejores resultados en la generación de biogás, así se tiene:
•
Psicrofílico (15-28)•
Mesolítico (30-40)•
Termofílico (45-60)Debe observarse que los rangos no necesariamente expresan continuidad de solapamiento en los valores de temperatura, debido a que corresponden sólo a las zonas más apropiadas.
En el rango psicrofílico el proceso es muy lento y la producción pobre en comparación con los restantes rangos. Su aplicación pudiera considerarse como una solución aceptable para los países de clima frío, aunque en muchos casos el balance económico arroja que el proceso resulta costoso. Por otro lado, aunque en el rango mesofílico hay un incremento en la generación de biogás desde 30 hasta 40 o C , considerándose 35 o C
la temperatura óptima de este, existe un intervalo de 40-45 o C en el cual se aprecia una disminución en el
rendimiento de biogás, por lo que este régimen debe operar por debajo de 40 o C.
El rango de oscilación de temperatura permitido depende del nivel de esta, así por ejemplo, al trabajar en el rango mesofilico es posible asimilar desviaciones de 2,8 o C, pero en cambio en el rango termofílico, solo se
toleran fluctuaciones de 0,8 o C debido a que las bacterias
termófilas son mucho más sensibles a lo cambios de las condiciones ambientales que las mesofílicas.
La caída de temperatura trae aparejado, entre otros, la disminución de pH, el incremento de la concentración de los ácidos grasos volátiles, la disminución del volumen de gas generado y la elevación del contenido de metano en el mismo, esto último debido a la mayor solubilidad del dióxido de carbono en la masa líquida al ser mayor la temperatura.
A su vez, debe señalarse que si en un digestor ocurre una caída brusca de temperatura, el restablecimiento de las condiciones de operación originales , así como la calidad y cantidad del gas generado, serán más prontamente alcanzadas mientras más rápido se logre el incremento de la temperatura necesaria para ello.
Un análisis integral del efecto de la temperatura sobre la digestión anaerobia, debe considerar la influencia del tiempo de retención de sólidos (TRS) sobre la conversión, lo cual se explica de la siguiente manera.
FACTORES FÍSICOQUÍMICOS QUE AFECTAN LA DIGESTIÓN ANAEROBIA
Debido a que el TRS es una medida de la cantidad de microorganismos por cantidad de sustrato, entonces un aumento en el TRS puede servir de compensación a una disminución en la temperatura de operación teóricamente, mayores TRS deben permitir fluctuaciones de temperatura sin inhibición del proceso, lo cual se debe a que cuando la velocidad de crecimiento de los microorganismos se encuentre por debajo del máximo, esto puede fácilmente ajustar su actividad metabólica cuando son cambiadas las condiciones ambientales.
El pH
Las bacterias metanogénicas tienen requisitos más estrictos en relación con el pH, que las acidogénicas. El pH óptimo se encuentra entre 6,8 y 8,0 y si cae por debajo de 6,2 la producción de metano se detiene.
Las bacterias acidogénicas tienen una mejor tolerancia a lo bajos valores de pH , y la producción de ácidos puede continuar sin apenas perturbación mientras que se inhibe la etapa consumidora del ácido. El resultado final es que si no se controla el pH , entonces se inhibe completamente la metanogénesis y el proceso se detiene.
Por ello el control del pH es un parámetro de primera importancia para la digestión anaerobia. Para la mayoría de los residuales líquidos o suspensiones de ellos, el control de la inhibición del pH es necesariamente indispensable, solo durante la arrancada del proceso y en condiciones de sobrecarga , aunque se aconseja mantener un seguimiento de su comportamiento.
No existe una coincidencia total entre los autores acerca del rango del pH en que debe desarrollarse la digestión anaerobia, pues algunos recomiendan mantenerlo en 6,8 y 7,6, otro en 6,6 y 8,2; 6,9 y 7,2; 6,4 y 7,2; 6,6 y 7,6 etcétera. Sin embargo, la mayoría coinciden en afirmar que por debajo de 6,2 se inhibe la metanogénisis , y el proceso se interrumpe.
En la práctica es necesario vigilar frecuentemente el valor de pH en el digestor y en el efluente.
La variación de pH debe ocurrir fundamentalmente por dos razones:
•
El residual es pobre en nitrógeno.•
El residual es fuerte en ácido o alcalino.Una mezcla baja en nitrógeno no puede asimilar la formación de bicarbonato de amonio, el cual es la fuente principal de buffer en el proceso anaerobio.
El pH, aunque es un parámetro de fácil medición, está fuertemente asociado a los ácidos volátiles y la alcalinidad.
La concentración del ion bicarbonato es aproxi-madamente equivalente a la alcalinidad total. Un bajo valor de alcalinidad no ofrece margen de seguridad para el tratamiento anaerobio, por lo que un pequeño aumento de los ácidos volátiles puede llevar a una significativa disminución de la alcalinidad del bicarbonato, y hacer descender el valor del pH.
Nutrientes
El carbono, además de ser un constituyente básico, es la fuente de energía, y el nitrógeno proporciona la formación ideal de estos elementos en la materia prima para digerir es de 30/1 o sea de 30 partes de carbono por una de nitrógeno. Esta relación puede llegar hasta 20/1 y considerarse aceptable. Si no existe suficiente nitrógeno, para permitir que las bacterias se multipliquen la velocidad de producción de gas se verá limitada, ahora bien, si el nitrógeno se presenta en exceso, habrá más amoniaco del necesario y se inhibirá el proceso , ya que el amoniaco en exceso resulta tóxico para la digestión anaerobia. La razón de esta diferencia estriba en la velocidad de consumo de carbono de estos elementos por parte de las bacterias.
Por otro lado, dentro de los nutrientes principales se encontrará también el fósforo, el cual se correlaciona a través del nitrógeno esta relación varía según la naturaleza del sustrato, de manera que para poder establecer una base común que relaciona, los casos particulares, se acostumbra emplear la relación DQO/N/P y se representa en la tabla 1:
Tabla 1
Sustrato Relación DQO/N/P
Ácido acético 1420/4,7/1 Ácido propiónico 451/6.7/1 Ácido butírico 338/6,7/1 Ácidos grasos 386/6,7/1 Carbohidratos 246/6,7/1 Grasas 386/6,7/1
Nota: En la práctica se trabaja generalmente en el nivel mesofílico, ya que este es donde se posee mayor experiencia de trabajo.
INHIBICIÓN POR CATIONES DE METALES ALCALINO Y ALCALINOTÉRREOS
La digestión termofílica es más rápida, pero requiere de un mayor nivel de control y atención.
Este es el caso más común y representativo del rango de concentraciones y sus efectos variados a diferentes niveles. La presencia de metales alcalinos y, o alcalino-térreo es muy común en el caso de los residuales, sobre todo en los industriales.
Aunque no existe una total concordancia entre todos los investigadores para establecer las cotas de los rangos, lo cierto es que la mayoría coincide en los resumidos en la tabla 2.
De manera comparativa y en orden ascendente, su efecto inhibidor es Na - K - Ca - Mg.
Con esto debe procederse con suficiente cautela, ya que el efecto puede ser antagónico debido a la presencia de uno de ellos en su concentración óptima y la proporción en qué se encuentran los restantes. En términos de concentración molares, el valor óptimo es de 0,01 M para los cationes divalentes.
Generalmente, el aumento de la toxicidad va en relación directa con la valencia y con el peso atómico.
Cualquier catión puede causar un efecto tóxico si se encuentra en cantidades suficientemente altas.
En sentido general, los documentos de la literatura confirman que la presencia de metales pesados puede causar toxicidad en los sistemas aerobios, pero los límites de toxicidad reportados varían ampliamente de un estudio a otro. Existe un número de posibles razones de dichas discrepancias. Los niveles de azufre y de carbono varían de un digestor a otro, por lo que se altera la cantidad de metales que pueden ser precipitados; las diferencias entre las variables de operación en los digestores, etcétera.
Debe aclarase que se ha podido establecer que altas concentraciones de Cu, Zn, Ni y Fe pueden comportarse como no tóxica en un medio anaerobio cuando están presentes en cantidades equivalentes de sulfuro, con la excepción del Cr, el cual no forma sales insolubles de sulfuro. La adición del sulfato de hierro puede proporcionar una concentración equivalente de sulfuro a los metales pesados, siendo a su vez un método efectivo para el control de la toxicidad de metales pesados.
Los cationes desempeñan un papel nutricional en el metabolismo de todos los organismos, sirviendo como activadores de metabolismo para una amplia variedad de enzima. La inhibición causada por la concentación de cualquier ion puede ser minimizada por la adición de concentraciones óptimas de otro ion.
Aunque se ha señalado que los sulfuros pueden ser utilizados para el control de la inhibición de la metanogénisis
por metales pesados, esto puede elevar la producción de cantidades significativas de hidrógeno dentro del reactor. Los compuestos oxidados de azufre, tales como los sulfatos, son reducidos a sulfuro bajo condiciones anaerobias, lo cual afecta la metanogénisis. No obstante, la inhibición por sulfuro de hidrógeno es solamente un problema de consideración en los residuales que tienen una alta concentración de sulfuros o promotores de estos. Algunos investigadores han comprobado que los sulfuros solubles tienen un efecto inhibidor lineal sobre la formación de metano por encima de 165 ppm . Por otro lado, la adición de sulfuro soluble hasta 300 pmm tiene un pequeño efecto sobre la producción de ácidos volátiles.
La producción de gas no tiene una función lineal con la concentración total de sulfuro, pero las concentraciones mayores de 200 ppm el azufre produce un considerable efecto inhibidor y cesa por completo la producción de gas. La toxicidad de los sulfuros parece estar correlacionada con la concentración de sulfuros de hidrógeno libre en el rango de pH de 6,4 a 7,2 sin embargo, esta correlación no se puede mantener a pH de 7,8 a 8,0.
El proceso de la digestión anaerobia es de naturaleza reductora bajo tales condiciones, el nitrógeno orgánico es convertido a nitrógeno amoniacal. Dentro del digestor, el amonio existe en dos formas en equilibrio, el ion amonio y el amoniaco molecular libre.
Muchos investigadores coinciden en que la concentración de amoniaco total a la que se presenta la inhibición, es fuertemente dependiente del pH, así como que el umbral de concentración de amoniaco total al cual ocurre la inhibición, puede ser aumentado con-siderablemente por la aclimatización de la biomasa por medio de un incremento gradual de la concentración de amoniaco durante un período de aproximadamente 40 d. A una concentración de 700 mg/ L de nitrógeno total, no ocurre inhibición operando a pH = 7 sin embargo, cuando el pH = 7,5 se presenta la inhibición a una concentración de hidrógeno total entre 2 000-3 000 mg/L, lo cual se corresponde con el rango de 1 500-2 000 mg/L de amonio, aunque vale destacar que esto depende de una serie de factores colaterales entre los que se encuentra la natu-raleza del residual, tipo de reactor y tiempo de retención.
Tiempo de retención
El tiempo de retención se acostumbra a diferenciarlo entre el Tiempo de Retención Hidráulica (TRH) y el Tiempo de Retención de Sólidos (TRS). Existen casos y circunstancias como por ejemplo, en los reactores de mezcla completa sin recirculación en los cuales no existe diferencia entre ellos por lo que el TRH = TRS. Por definición, el TRS es el tiempo promedio que los microorganismos permanecen dentro del reactor durante el tratamiento (desde la entrada hasta la salida) a su vez, Tabla 2
Catión Rango catalizador(mg/L) Rango inhibidor(mg/L)
Na 100-2 000 3 500-8 000
K 200-400 2 500-12 000
Ca 100-200 2 000-3 000
Mg 75-150 1 000-3 000
INHIBICIÓN POR CATIONES DE METALES PESADOS
INHIBICIÓN POR SULFURO
el TRH es el tiempo que el sustrato permanece en el interior del reactor.
La importancia del TRS radica en que existe un TRS mínimo que es necesario garantizar para que los microorganismos tengan la oportunidad de reproducirse en cantidad superior, o al menos igual a la concentración de estos a la entrada al sistema, ya que de lo contrario ocurrirá el efecto de "lavado" de la mezcla, ya que en el mismo serían eliminados con mayor rapidez que los que entran, bajando su concentración valores mínimos que conducen a que se detenga el proceso de fermentación anaerobia.
El tiempo de retención hidráulico
Tiene un importante papel en el proceso de la digestión, y conjugado con otros parámetros puede servir de criterio de comparación en los análisis de evaluación de eficiencia de la operación. Así por ejemplo, para una concentración de sustrato fija, a mayor TRH mayor será el rendimiento de biogás por unidad de masa de materia orgánica alimentada al reactor.
Sin embargo, para una concentración fija de sustrato, el rendimiento volumétrico diario de biogás será menor
mientras mayor sea el TRS aplicado al sistema. NOVIEMBRE DEL 2001
REFERENCIAS
Se analizó el proceso de la digestión anaerobia, considerada como un proceso biológico muy complejo, asociado a la actividad bacteriana de algunas especies.
1. AISSE, M. M. & , N. L. OBLADEN: "Tratamiento de
esgotos por biodigestáo anaerobia" , CNPq, ITAH, IPPUC, UCP, pp. 99, Paraná, Brasil, 1982.
2. ATLAS, R. M.: "Microbiología. Fundamentos y
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4. SOUZA, M. E.: "Factores que influyem a digestáo
anaerobia." revista DAE, SABESP, Vol. 44, No. 137, pp. 88-93, Sáo Paulo, 1984.
5. LETTINGA, G. Y COLABORADORES: "Anaerobic
Treatment of Raw Domestic Sewage at Ambient Temperatures Using a Granular Bed UASB Reactor".
