1
PROCEEDINGS OF THE
THIRD INTERNATIONAL ALUMNI
SEMINAR: Green Engineering
Memorias del
TERCER SEMINARIO INTERNACIONAL
DE EX-BECARIOS DE ALEMANIA:
Ingeniería verde
2 ISBN 978-607-7807-07-0
© UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO
Laboratorios de Ingeniería Química Ambiental y de Química Ambiental Facultad de Química
04510 México D.F.
ACADEMIA MEXICANA DE CIENCIAS, ARTES, TECNOLOGÍA Y HUMANIDADES, A.C.
Memorias del TERCER SEMINARIO INTERNACIONAL DE EX-BECARIOS
DE ALEMANIA: Ingeniería verde / Proceedings of the THIRD INTERNATIONAL
ALUMNI SEMINAR: Green Engineering
Responsables de la publicación / Publication responsible people:
Dra. Marisela Bernal-González
Profa. Dra.-Ing. María del Carmen Durán-Domínguez-de-Bazúa
Dra. Georgina Fernández-Villagómez
M. en C. Rolando Salvador García-Gómez
Dra. María del Refugio González-Sandoval
Ing. Rosalba Juárez-Garduño
Correos electrónicos / e-mail:
[email protected], [email protected],
[email protected], [email protected],
[email protected], [email protected]
MÉXICO D.F. MÉXICO
Español-English / Spanish-Inglés
La presentación y contenido de los trabajos presentados son responsabilidad de los autores /
Presentation and contents of presented papers are the sole responsibility of authors
3
PREFACIO A LA PRIMERA
EDICIÓN
FOREWORD TO FIRST
EDITION
Esta obra está basada en las contribuciones de los moderadores y conferencistas de las cuatro Mesas Redondas que conformaron la actividad de este Tercer Seminario Internacional sobre “Ingeniería verde”, enmarcados cada uno con una conferencia magistral inicial y una final, que dieron la pauta para la discusión general y enriquecieron la discusión constructiva de los participantes.
Esperamos que los lectores disfruten, tanto la parte técnico-científica como el acercamiento holístico de estas investigaciones, cuya meta última es brindar a los responsables, quienes en su desempeño profesional llevan a cabo actividades de ingeniería y tecnología de manera inteligente para afectar menos al entorno, como se ha hecho desde hace milenios y como se sigue haciendo actualmente en prácticamente todo el Planeta Tierra.
El personal académico de los Laboratorios de Ingeniería Química Ambiental y de Química Ambiental, del Colegio de Ciencias y Humanidades de su Plantel Sur y de la Facultad de Ingeniería, todos ellos de la Universidad Nacional Autónoma de México, que editan este libro, con el apoyo de la Academia Mexicana de Ciencias, Artes, Tecnología y Humanidades, A.C., y del Servicio Alemán de Intercambio Académico, DAAD, han deseado siempre transmitir el conocimiento generado por sus colegas y sus pares de otras instituciones, así como por sus graduados de maestría y de doctorado, hacia el público interesado en actualizar sus conocimientos en campos científicos que tienen
This book is based on the contributions of the moderators and speakers of the four Round Tables that were the core of this Third International Seminar on “Green Engineering”, framed with an opening and a closing key note conferences that gave the overall focus for the general discussion and enriched by the comments of the participants. We hope the readers enjoy the techno-scientific part as well as the holistic approach of this research, that has as the ultimate goal to give the responsible professional people in charge of engineering and technological activities, an option to use them in an intelligent manner, with minimum affectation to the environment, avoiding the traditional ways done during millennia along the whole Planet Earth.
4 una aplicación directa al mejoramiento de la
calidad de vida, no solamente de la raza humana sino de todas las especies que conviven con nosotros y que nos dan un ambiente pleno.
Esperamos contar con la retro-alimentación de nuestros lectores, ya que esta interacción permite enriquecer el conocimiento. En la actualidad, cuando las comunicaciones humanas avanzan a velocidad vertiginosa, el contacto con otras personas se da ya no solamente por lo métodos tradicionales como éste, un libro, sino por medio de las redes internacionales (“internet”, por su nombre en inglés), a través de las cuales podemos interactuar con personas en cualquier sitio del planeta. En la página que contiene los datos de esta edición se encuentran nuestros correos electrónicos para establecer esta comunicación.
¡Buen viaje al mundo de los metales pesados y de la ingeniería verde y sus aplicaciones en nuestra industria química y de proceso y, particularmente, para mejorar y mantener nuestro entorno!
scientific treasured learnings with direct application to the well being not only of humans but also of all the species that share with us the whole habitat and give us a healthy environment.
We also hope to receive the retrofeeding from our readers since this interaction will mutually enrich knowledge. Presently, when human communications advance at vertiginous speed, the contact with other persons is given, not only using traditional methods such as this book but using modern technological approaches such as internet, through which people from all over the world can interact. The electronic mail of the publication responsible authors are available for these interactions.
Bon voyage to the world of the green engineering and its applications in our process industry and, particularly, to improve and maintain our environment!
Profa. Dra.-Ing. María del Carmen Durán Domínguez de Bazúa Dra. Georgina Fernández-Villagómez Dra. María del Refugio González-Sandoval Responsables del Tercer Seminario Internacional sobre “Ingeniería verde”
5
AGRADECIMIENTOS
ACKNOWLEDGMENTS
Las organizadoras desean reconocer al
DAAD de Alemania por el apoyo
financiero para realizar el Tercer
Seminario Internacional sobre “Ingeniería
verde” con fondos del Ministerio Federal
para la Cooperación Económica y el
Desarrollo de la RFA.
To Germany’s DAAD for the financial
support to conduct this Third
International Seminar on “Green
Engineering” with funds of the German
Federal Republic’s Federal Ministry for
Economic Cooperation and
Development.
También agradecen a la Universidad
Nacional Autónoma de México, a través
de varias de sus dependencias académicas,
por el apoyo en infraestructura y servicios.
To the National Autonomous University
of Mexico, that through some of its
academic entities, supported this event
with its infrastructure and services.
Finalmente, reconocen el altruista y
generoso apoyo del personal académico y
administrativo de los Laboratorios de
Ingeniería Química Ambiental y de
Química Ambiental de la Facultad de
Química de la UNAM, para la realización
de este evento.
7
Index
Índice
Pag./
Page
Foreword to first edition Prefacio a la primera edición 3
Acknowledgments Agradecimientos 5
Presentations Index Índice de presentaciones 7
Program of the Seminar Green Engineering
Programa del Seminario Ingeniería Verde
9
The twelve principles of green engineering Los doce principios de la ingeniería verde 11
Round Tables Green Engineering
Mesas Redondas Ingeniería Verde
13
Final Report Informe Final 15
Papers Contribuciones 21
Photographs gallery Galería de fotos 39
Map Mapa 40
Information Informes 41
9
THIRD INTERNATIONAL ALUMNI SEMINAR /
TERCER SEMINARIO INTERNACIONAL DE EX-BECARIOS DE ALEMANIA
GREEN ENGINEERING / INGENIERÍA VERDE PROGRAM / PROGRAMA
Friday April 13, 2012 / Viernes 13 de abril de 2012. Teaching Center / Centro de Docencia*
08:00-08:30 Registration / Inscripción
08:30-09:00 Opening ceremony /Ceremonia de Inauguración
Welcoming words from DAAD Regional Director for Mexico and Central America Central /
Palabras de bienvenida del Director Regional para México y América Central del DAAD, Dr. Hanns Sylvester
Official opening statement from the UNAM Faculty of Engineering Director representative /
Inauguración oficial por parte del Ing. Gonzalo López de Haro, Secretario General de la Facultad de Ingeniería en representación del Director de la Facultad de Ingeniería de la UNAM, Prof. M. en A. José Gonzalo Guerrero-Zepeda
09:00-09:45 Opening conference: Constructed Wetlands as a “Green Technology” / Conferencia
inaugural: Humedales construidos o artificiales como una “Tecnología verde”. Dr. Peter
Kuschk, UfZ-Leipzig / Académico invitado del Centro de Estudios Ambientales de Leipzig
09:45-10:00 Questions and answers session / Sesión de preguntas y respuestas
10:00-10:15 Coffee break and Press reception / Receso para café y entrevistas de prensa
10:15-12:00 First Round Table of Experts / Primera Mesa Redonda de Expertos. Moderator / Moderadora:
Dra. Georgina Fernández, FI-UNAM
12:00-13:45 Second Round Table of Experts / Segunda Mesa Redonda de Expertos. Moderator /
Moderador: Prof. Dr. Felipe Lara, CCADET-UNAM 13:45-15:00 Brunch break / Tiempo para el almuerzo
15:00-16:45 Third Round Table of Experts. Moderator / Moderador: Prof. Enrique R. Bazúa-Rueda, Ph.D., UNAM / Tercera Mesa Redonda de Expertos. Prof. Enrique R. Bazúa-Rueda, Ph.D.,
FQ-UNAM
16:45-18:30 Fourth Round Table of Experts. Moderator / Moderadora: Dra. María del Refugio González-Sandoval, CCH Sur-UNAM / Cuarta Mesa Redonda de Expertos. Dra. María del Refugio
González-Sandoval, CCH Sur-UNAM
18:30-19:15 Closing conference: Efficient use of the energy in the process industry - A sustainable option
to reduce emissions of green house gases / Conferencia de clausura: Uso eficiente de la
energía en la industria de proceso - Una opción sustentable para reducir las emisiones de gases de efecto invernadero. Prof. Enrique Rodolfo Bazúa-Rueda Ph.D. Department of Chemical Engineering, FQ-UNAM, Alexander von Humboldt Scholar / Departamento de
Ingeniería Química, FQ-UNAM, Recipiendario de la Fundación Alexander von Humboldt 19:15-19:30 Closing ceremony / Ceremonia de clausura y entrega de diplomas de participación
Closing declaration from German Embassy Scientific Attaché Official in Mexico City /
Declaración de clausura por parte del Agregado Científico de la Embajada de la RFA en la Ciudad de México. Mr. / Sr. Hubertus von Römer
19:30-20:00 Refreshments and non alcoholic drinks / Refrigerios y refrescos
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THE TWELVE PRINCIPLES
OF GREEN
ENGINEERING
1LOS DOCE PRINCIPIOS DE
LA INGENIERÍA VERDE
1Green Engineering is an approach to
engineering, design, and production
based upon sustainability, minimum
environmental impact and favorable
economic and social aspects. Green
engineering may be conducted within a
framework of 12 principles:
La ingeniería verde es un acercamiento a
la ingeniería, el diseño y la producción
basado en la sustentabilidad, el impacto
mínimo al ambiente y los aspectos
sociales y económicos que sean más
favorables. La ingeniería verde puede
conducirse dentro del marco de 12
principios:
1. Inherent sustainability and
reduction of hazard.
2.
Prevention more than treatment
and/or remediation.
3. Easy
separation.
4.
Maximization of the efficiency in
the utilization of materials,
energy, space, and time. This
aspect of green engineering
means that operations are
performed with minimum
consumption of materials and
energy as rapidly as possible and
in as little space as possible.
1. Sustentabilidad inherente y reducción
de la peligrosidad.
2. Prevención más que tratamiento y/o
remediación.
3. Separación
sencilla.
4. Maximización de la eficiencia en el
uso de los materiales, la energía, el
espacio y el tiempo. Este aspecto de la
ingeniería verde significa que las
operaciones se realicen con el mínimo
consumo de materiales y energía tan
rápido como sea posible y en el menor
espacio posible.
5. Driving processes by pulling
output: Using Le Châtelier’s
principle to drive a process by
5. Uso de la fuerza motriz generada por
la remoción de los productos: Uso del
principio de Le Châtelier para dirigir
12
removing product rather than
adding reactant. “Just-in-time”
manufacturing in which product
is made as needed by the
consumer is an example of
output-pushed processing.
6. Conservation
of
complexity.
un proceso sacando productos más que
agregando reactivos. Producción
“justo-a-tiempo” en la que el producto
se manufactura cuando lo necesita el
consumidor es un ejemplo de esto.
6. Conservación de la complejidad.
7.
Durability, but not immortality.
8.
Meet the need without excess and
avoid overdesign.
9.
Use of fewer kinds of materials.
7. Durabilidad pero no inmortalidad.
8. Cumplimiento de las necesidades
evitando sobrediseños.
9.
Uso de menos tipos de materiales.
10. Utilization of available energy
and materials.
11. Design for later use.
12. Maximization of the use of energy
and renewable materials rather
than depleting resources.
10. Utilización de la energía y de los
materiales disponibles.
11. Diseño para uso posterior.
12. Maximización del uso de energía y
materiales renovables más que el uso
de recursos no renovables.
GOAL: META:
Applications from GREEN
ENGINEERING to Mexico and other
countries of the region to improve
quality of life in an overall basis
without affecting sustainability
Aplicaciones de la INGENIERÍA
VERDE a México y otros países de la
región para mejorar la calidad de vida
de manera holística sin afectar la
sustentabilidad
PRODUCT IN THE LONG TERM:
PRODUCTO EN EL LARGO PLAZO:
13
CONFERENCES AND ROUND TABLES /
CONFERENCIAS Y MESAS REDONDAS
09:00-09:45 Opening conference: Constructed Wetlands as a “Green Technology” / Constructed Wetlands as a “Green Technology” / Conferencia inaugural:
Humedales construidos o artificiales como una “Tecnología verde”. Dr.
Peter Kuschk*, UfZ-Leipzig / Centro de Estudios Ambientales de Leipzig
([email protected]), Hoang Nam Nguyen, Zhongbing Chen, Arndt
Wießner, Shubiao Wu
21
09:45-10:15 Receso / Coffee break
10:15-12:00 First Round Table of Experts. Moderator / Primera Mesa Redonda de Expertos.
Moderadora: Mrs. Prof. Dr.-Ing. Georgina Fernández-Villagómez, FI-UNAM, DAAD
Alumni
M I-1
Green engineering in the valorization of the wastewaters generated during the bio-etanol production / Ingeniería verde en la valorización de las aguas residuales
generadas en la producción de bio-etanol. Alejandra Castro-González*, DAAD
Alumni, UNAM, Faculty of Engineering / Facultad de Ingeniería, UNAM
([email protected]), María del Carmen Durán-Domínguez-de-Bazúa, DAAD Alumni
23
M I-2
Process control for enhancing biopolymer production from wastewater / Control de
procesos para mejorar la producción de biopolímeros sintetizados de aguas residuales. Alejandro Vargas-Casillas*, DAAD Alumni, UNAM, Institute of Engineering / Instituto de Ingeniería, UNAM ([email protected]), Liliana
Montaño, Rodolfo Amaya
43
M I-3
Tensoactive agents (surfactants) use to improve the remediation procedures for contaminated soils / Uso de tensoactivos para mejorar la remediación de suelos
contaminados. Miguel Ángel Ríos-Enríquez*, DAAD Alumni, UV, Faculty of Chemical Sciences / Facultad de Ciencias Químicas, UV, Coatzacoalcos ([email protected]),
J.A. Ríos-Izquierdo, O. Guzmán-López, M.C. Cuevas Díaz
14 12:00-13:45 Second Round Table of Experts. Moderator / Segunda Mesa Redonda de Expertos.
Moderador: Prof. Dr. Felipe Lara Rosano, CCADET-UNAM, DAAD Alumni M
II-1
Construction and demolition wastes / Residuos de la construcción y demolición. Constantino Gutiérrez-Palacios*, DAAD Alumni, UNAM, Faculty of Engineering /
Facultad de Ingeniería, UNAM ([email protected])
67
M II-2
Remediation of contaminated sites: Some examples / Revitalización de sitios
contaminados: Casos de ejemplo. Luis Antonio García-Villanueva*, Georgina
Fernández-Villagómez*, DAAD Alumni, UNAM, Faculty of Engineering / Facultad de
Ingeniería, UNAM ([email protected])
81
M II-3
Degradation of the herbicide atrazine by photo-Fenton processes at solar photocatalytic plant level / Degradación del herbicida atrazina por medio de
procesos foto-Fenton a nivel de planta solar fotocatalítica. Antonio E.
Jiménez-González*, DAAD Alumni, UNAM, Center for Energy Research / Centro de
Investigación en Energía, UNAM ([email protected]), Carlos Antonio
Pineda-Arellano, César Pérez-Franco, Eduardo Iragorri-Sámano, Ana Gabriela Gutiérrez-Mata, Iván Salgado-Tránsito
89
15:00-16:45 Third Round Table of Experts. Moderator / Tercera Mesa Redonda de Expertos.
Moderador: Prof. Enrique R. Bazúa-Rueda, Ph.D., FQ-UNAM, AvH Fellow M
III-1
Effects on mango orchards of sulphur, niquel and vanadium emissions from a thermoelectric power plant at the Mexican Pacific coast / Emisiones de S, Ni y V de
una central termoeléctrica en la costa del Pacífico mexicano y su efecto en huertas de mango circundantes. Christina Siebe*, DAAD Alumni, UNAM, Institute of Geology / Instituto de Geologia, UNAM ([email protected]), Andrea Herre, Norma
Fernández-Buces
107
M III-2
Constructed wetlands for environmental education in senior high school system /
Humedales artificiales para educación ambiental en bachillerato.
María-del-Refugio González-Sandoval*, DAAD Alumni, UNAM, College for Sciences and
Humanities South Campus / Colegio de Ciencias y Humanidades Plantel Sur, UNAM ([email protected]), Agustín Arreguín-Rojas, Salvador-Alejandro Sánchez-Tovar, María-del-Carmen Durán-Domínguez-de-Bazúa
109
M III-3
Germination of Buchloe dactyloides and Cynodon dactylon on polluted soil with mining residues / Germinación de Buchloe dactyloides y Cynodon dactylon en suelo
contaminado con residuos mineros. María-Teresa Alarcón-Herrera*, DAAD
Alumni, Center for Research in Advanced Materials / Centro de Investigaciones en
Materiales Avanzados ([email protected]), María-del-Rosario
Delgado-Caballero, Alicia Melgoza-Castillo
15 16:45-18:30 Fourth Round Table of Experts. Moderator / Cuarta Mesa Redonda de Expertos.
Moderadora: Mrs. Prof. Dr.-Ing. María del Refugio González-Sandoval, CCH Sur-UNAM, DAAD Alumni
M IV-1
Pesticides water contamination of the Irrigation District 011 in Mexico’s Alto Río Lerma / Contaminación del agua por plaguicidas en el Distrito de Riego 011, Alto
Río Lerma de México. Marisela Bernal-González*, Special invitee, UNAM, Faculty of Chemistry / Facultad de Química, UNAM ([email protected], marisela_bernal2000 @yahoo.com.mx), Rosario Pérez-Espejo, Carmen
Durán-de-Bazúa, DAAD Alumni
123
M IV-2
Use of carboxylesterases from Bacillus pumilus in biocatalysis for the production of industrial important compounds / Uso de carboxilesterasas de Bacillus pumilus en
biocatálisis para la producción de compuestos de interés industrial. Carolina
Peña-Montes*, DAAD Alumni, UNAM, Faculty of Chemistry / Facultad de Química,
UNAM ([email protected]), Eva Bermúdez-García, Katia Ruiz-Noria, Nelson
Cabrera-Salazar, Arturo Navarro-Ocaña, Amelia Farrés-González
133
M IV-3
Sulphur and metal transformation/fixation processes in constructed wetlands for wastewater treatment / El azufre y su efecto en los procesos de transformación y
fijación de metales pesados en humedales artificiales para el tratamiento de aguas residuales. Peter Kuschk*, DAAD Expert, UfZ-Leipzig / Centro de Estudios Ambientales de Leipzig ([email protected]), Eva M. Seeger, Uwe Kappelmeyer,
Arndt Wiessner, Diego Paredes
143
18:30-19:15
Closing conference: Energy efficient use, strategy to reduce the climatic change negative effects: Industry and the reduction of green house gases emissions. /
Conferencia de clausura: Uso eficiente de la energía, estrategia para reducer los efectos negativos del cambio climático: La industria y la reducción de emisiones de gases con efecto invernadero. Prof. Enrique Rodolfo Bazúa-Rueda,
Ph.D. Department of Chemical Engineering, FQ-UNAM, Alexander von Humboldt Scholar / Departamento de Ingeniería Química, FQ-UNAM, Recipiendario de la
Fundación Alexander von Humboldt ([email protected])
17 Abril / April 13, 2012
FINAL REPORT INFORME FINAL
The German Academic Exchange Service, DAAD (in German), has granted financial and logistic support to organize Alumni events in important subjects to promote the interaction of the academic and industrial world with the society.
With the active participation of more than 40 people, with the opening ceremony presided by Dr. Hanns Sylvester, Director of the DAAD Office for Mexico and Central America and by Dipl.-Ing. Gonzalo López-de-Haro, representing Prof. M.A. Gonzalo Guerrero-Zepeda, Director of the UNAM Faculty of Engineering, the host institution for this Seminar.
El Servicio Alemán de Intercambio Académico, DAAD (en alemán), ha apoyado financiera y logísticamente la realización de seminarios de ex-alumnos en temas muy importantes para promover la interacción del mundo académico e industrial con la sociedad.
Con la participación activa de más de 40 personas, la ceremonia de inauguración fue presidida por el Dr. Hanns Sylvester, Director de la Oficina del DAAD para México y Centro América y por el Ing. Gonzalo López de Haro, en representación del Prof. M.A. Gonzalo Guerrero-Zepeda, Director de la Facultad de Ingeniería de la UNAM, como entidad anfitriona.
The activities were focused to Green Engineering, as the third version of the Seminars carried out in March 2010 and April 2011, included the opening conference was delivered by Dr. Peter Kuschk, from the UfZ-Leipzig Halle, with the subject: Trends in the research for constructed wetlands for wastewater treatment. The closing key note conference Energy efficient use, strategy to reduce the climatic change negative effects: Industry and the reduction of green house gases was delivered by Prof. Enrique Rodolfo Bazúa-Rueda, Ph.D., from the Department of Chemical Engineering of the Faculty of Chemistry of the National Autonomous University of Mexico, and an Alexander von Humboldt fellow from the University of Heidelberg.
The First Round Table participant was Mrs. Dr. Alejandra Castro-González from the
Las actividades referentes a la Ingeniería Verde, siendo la tercera versión de los realizados en marzo de 2010 y en abril de 2011, incluyeron la conferencia inaugural impartida por el Dr. Peter Kuschk, del Centro de Estudios Ambientales de Leipzig-Halle, con el tema: Tendencias de la investigación sobre humedales artificiales para el tratamiento de aguas residuales. La conferencia de clausura, impartida por el Prof. Dr. Enrique Rodolfo Bazúa-Rueda, del Departamento de Ingeniería Química de la Facultad de Química de la Universidad Nacional Autónoma de México y recipiendario de una beca de la Fundación Alexander von Humboldt en la Universidad de Heidelberg, fue sobre: Uso eficiente de la energía, estrategia para reducir los efectos negativos del cambio climático: La industria y la reducción de emisiones de gases con efecto invernadero.
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UNAM Faculty of Engineering, who talked about the production of methane rich biogas from the production of bioethanol using sugarcane mills molasses. Dr. Alejandro Vargas-Casillas conference was related to process control for enhancing biopolymer production from wastewater. He belongs to the UNAM Institute of Engineering. Finally, Dr. Miguel Ángel Ríos-Enríquez from the Faculty of Chemical Sciences of the Veracruz University talked about the use of tensoactive agents (surfactants) to improve the remediation procedures for contaminated soils. The Moderator was Mrs. Prof. Dr. Georgina Fernández-Villagómez from the UNAM Faculty of Engineering.
The Second Round Table was moderated by Prof. Dr. Felipe Lara-Rosano, former director of the UNAM’s Center for Applied Sciences and Technological Research, who last year (April 2011) gave a very interesting conference on the subject of green engineering from a systemic approach. The first speaker was Prof. Constantino Gutiérrez-Palacios, M.S., from the UNAM Faculty of Engineering and his subject was about construction and demolition waste. Mrs. Prof. Dr.-Ing. Georgina Fernández-Villagómez and her doctoral student Luis Antonio García-Villanueva, from the Faculty of Engineering presented a conference on Brownfields, that are real property, which expansion, redevelopment, or reuse may be complicated by the presence or potential presence of a hazardous substances, pollutants, or contaminants. Cleaning up and reinvesting in these properties protects the environment, reduces blight, and takes development pressures off greenspaces and working lands, giving some examples for Mexico. The third participation corresponded to Dr. Antonio E. Jiménez-González from the UNAM Center for Energy Research and was
Ingeniería de la UNAM, quien habló sobre la producción de biogás rico en metano a partir de los efluentes de las mieles finales de ingenios azucareros que producen bio-etanol. La conferencia del Dr. Alejandro Vargas-Casillas del Instituto de Ingeniería de la UNAM estaba relacionada con el control de proceso para potenciar la producción de biopolímeros a partir de aguas residuales. Finalmente, el Dr. Miguel Ángel Ríos Enríquez, de la Facultad de Ciencias Químicas de la Universidad Veracruzana habló del uso de tensoactivos (surfactantes) para mejorar los procesos de remediación de suelos contaminados. La moderadora de la Mesa fue la Profa. Dra. Georgina Fernández-Villagómez de la Facultad de Ingeniería de la UNAM.
La Segunda Mesa Redonda fue moderada por el Prof. Dr. Felipe Lara-Rosano, ex-Director del Centro de Ciencias Aplicadas y Desarrollo Tecnológico de la UNAM, quien el año pasado (Abril de 2011) impartió una interesante conferencia sobre el tema de la ingeniería verde desde el punto de vista sistémico. El primer conferencista fue el Prof. y M. en C. Constantino Gutiérrez-Palacios, de la Facultad de Ingeniería de la UNAM, y su tema fue sobre los residuos de la construcción y la demolición. La Profa. Dra. Georgina Fernández-Villagómez de la Facultad de Ingeniería de la UNAM y su estudiante doctoral Luis Antonio García-Villanueva, presentaron una conferencia sobre los llamados en inglés terrenos oscuros o
pardos, que es una definición dada por la EPA de
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focused to the degradation of the herbicide atrazine by photo-Fenton processes at a solar photocatalytic pilot plant level.
Energía de la UNAM y se refirió al tratamiento del herbicida atrazina usando un sistema solar fotocatalítico a escala piloto con Fenton.
The Third Round Table was moderated by Prof. Dr. Enrique Rodolfo Bazúa-Rueda, who as mentioned before was an Alexander von Humboldt Scholarship recipient, former Director of the Faculty of Chemistry and former Coordinator of UNAM’s Graduate Studies. The first speaker was Mrs. Dr. Christina Siebe-Grabach from the UNAM’s Institute of Geology and her talk was about the effects on mango orchards of sulphur, niquel and vanadium emissions from a thermoelectric power plant at the Mexican Pacific coast. From the UNAM’s College of Sciences and Humanities, Mrs. Prof. Dr.-Ing. María del Refugio González-Sandoval gave an interesting point of view on the constructed wetlands for environmental education in the senior high school system within the scope of the green engineering. The last conference in this Round Table was delivered by Mrs. Dr. María-Teresa Alarcón-Herrera, from CIMAV Chihuahua, who talked about germination of Buchloe dactyloides and Cynodon dactylon on polluted soil with mining residues.
La Tercera Mesa Redonda fue moderada por el Prof. Dr. Enrique Rodolfo Bazúa-Rueda, quien como ya se mencionó, fue recipiendario de una beca de la Fundación Alexander von Humboldt en la Universidad de Heidelberg y forma parte del Departamento de Ingeniería Química de la Facultad de Química de la Universidad Nacional Autónoma de México y Coordinador de Estudios de Posgrado de la UNAM. La primera conferencista fue la Dra. Christina Siebe-Grabach del Instituto de Geología de la UNAM. Su plática fue sobre los efectos del azufre, el vanadio y el níquel emitidos por una planta termoeléctrica sobre huertos de mango en la costa del Pacífico mexicano. Del Colegio de Ciencias y Humanidades Plantel Sur de la UNAM, la Profa. Dra.-Ing. María del Refugio González-Sandoval ofreció un punto de vista muy interesante sobre el uso de humedales artificiales para la educación ambiental del nivel de enseñanza media superior en el ámbito de la ingeniería verde. La última conferencia de esta mesa redonda fue la de la Dra. María-Teresa Alarcón-Herrera, del CIMAV de Chihuahua, quien habló sobre la germinación de dos pastos, Buchloe dactyloides y Cynodon dactylon en suelos contaminados con residuos mineros.
Within the Fourth Round Table the first speaker was Mrs. Dr.-Ing. Marisela Bernal-González, from the UNAM Faculty of Chemistry, who talked about pesticides water contamination of the Irrigation District 011 in Mexico’s Alto Río Lerma. Then, Mrs. Dr. Carolina Peña-Montes, also from the UNAM Faculty of Chemistry presented the use of carboxylesterases from Bacillus pumilus in biocatalysis for the production of industrial important compounds. The third speaker was Dr. Peter Kuschk, from the UfZ-Leipzig Halle,
En la Cuarta Mesa Redonda, la Dra.-Ing. Marisela Bernal-González, de la Facultad de Química de la UNAM, fue la primera conferencista y habló sobre la contaminación del agua por plaguicidas en el Distrito de Riego 011 en el Alto Río Lerma de México. Después, la Dra. Carolina Peña-Montes, también de la Facultad de Química de la UNAM habló sobre el uso of carboxilesterasas de Bacillus
pumilus en biocatálisis para la producción de
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with the subject: Sulphur and metal transformation/fixation processes in constructed wetlands for wastewater treatment. The Round Table was moderated by Mrs. Prof. Dr.-Ing. María del Refugio González-Sandoval, from UNAM CCH Sur.
los procesos de fijación/transformación en sistemas de humedales artificiales para tratamiento de aguas residuales. La Mesa Redonda fue moderada por la Mrs. Prof. Dr.-Ing. María del Refugio González-Sandoval, del CCH Sur de la UNAM.
The closing ceremony was presided by the three organizers, Mrs. Georgina Fernández-Villagómez, Mrs. María del Refugio González-Sandoval, and Mrs. María del Carmen Durán-de-Bazúa with the honorable presence of Mr. Hubertus von Römer, Scientific Attaché from the German Embassy in Mexico City.
La ceremonia de clausura fue presidida por las tres organizadoras, las Dras. Georgina Fernández-Villagómez, María del Refugio González-Sandoval y María del Carmen Durán-de-Bazúa, acompañadas por la honorable presencia del Agregado Científico de la Embajada de la RFA en México, el Sr. Hubertus von Römer.
Profa. Dra.-Ing. María del Carmen Durán-de-Bazúa, Facultad de Química, UNAM Profa. Dra. Georgina Fernández-Villagómez, Facultad de Ingeniería, UNAM Profa. Dr.a María del Refugio González-Sandoval, Colegio de Ciencias y Humanidades, UNAM
Responsables del Tercer Seminario Internacional sobre “Ingeniería verde”
Responsible persons of the Third International Seminar on “Green Engineering”
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CONFERENCIA INAUGURAL / OPENING CONFERENCE
Constructed Wetlands as a “Green Technology”
Humedales construidos o artificiales como una “Tecnología verde”
Dr. Peter Kuschk*
UfZ-Leipzig / Centro de Estudios Ambientales de Leipzig ([email protected])
Hoang
Nam Nguyen, Zhongbing Chen, Arndt Wießner, Shubiao WuLa presentación se encuentra adjunta en un archivo tipo .pdf
23 M I-1
Ingeniería verde en la valorización de las aguas residuales generadas en la producción de bio-etanol
Green engineering in the valorization of the wastewaters generated during the bio-etanol production
Castro-González, Alejandra*, Durán-Domínguez-de-Bazúa, María del Carmen**
*Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional Autónoma de México. Ciudad Universitaria, D.F., México
**Laboratorios de Ingeniería Química Ambiental y de Química Ambiental, Departamento de Ingeniería Química, Facultad de Química, Universidad Nacional Autónoma de México. Ciudad Universitaria,
D.F., México
Correos electrónicos: [email protected]; [email protected] RESUMEN
La producción de etanol por métodos biológicos implica la generación de un subproducto, las vinazas provenientes de la primera torre de destilación. La composición química de las vinazas es hasta hoy es desconocida y no fácil de degradar por sistemas biológicos. Entre los compuestos que crean problemas durante la biodegradación están los sulfatos, en promedio de 15,000 mg/L, así como sus contenidos de materia orgánica, medida como demanda química de oxígeno soluble (DQOs), de alrededor de 120,000 mg/L (las aguas negras tienen entre 600 y 800 mg/L). Con objeto de darle un valor agregado, convirtiendo el proceso de producción de alcohol en una tecnología verde, se planteó la transformación de estos compuestos orgánicos en biogás rico en metano. La degradación de las vinazas se alcanzó en un reactor anaerobio de lecho de lodos de flujo ascendente (RALLFA) a escala de banco a condiciones mesofílicas (35°C). El reactor operó en un intervalo de tiempos de residencia hidráulicos, TRH, de 1 a 10 días conservando una carga orgánica volumétrica de alrededor de 10 kgDQO/m3día durante 600 días. El proceso consistió en alimentar al reactor anaerobio con vinaza diluida con agua de la llave al 10% e ir incrementando la concentración hasta alcanzar alimentar 100% vinaza sin diluir. La adaptación no fue fácil. La eficiencia encontrada al alimentar 10% y 100% vinaza sin diluir fue de 0.25 y 0.35 m3 biogás/kgDQOremovida, con una productividad de metano de 18 y 25 LCH4/d, respectivamente, con un porcentaje de remoción promedio de DQO durante todo el proceso del 65%. Los resultados demostraron que la biodegradación de las vinazas fue aceptable a pesar de los problemas de adaptación del proceso. Tomando los datos obtenidos en esta investigación puede decirse que, para una planta de etanol, considerando una producción unitaria de 1 m3/d, generando 10 m3/d vinazas, se tendrían100 kg de DQO y con ellos 35 m3 biogás/d y 2.5 m3 CH
4/d.
ABSTRACT
Ethanol production using biological methods implies the generation of a by-product, vinasses from the first distillation tower. Chemical composition of vinasses is currently unknown, and difficult to degrade using biological systems. Among the compounds that become a problem upon biodegradation are sulfates, with average composition of 15,000 mg/L, as well as the organic compounds, that measured as soluble chemical oxygen demand (CODs), are around 120,000 mg/L (domestic sewage is around 600-800 mg/L). To find an added value to vinasses transforming etanol production in a greener technology, these organic compounds may be converted into methane-rich biogas. Using a bench scale upflow anaerobic sludge blanket reactor (UASB-R) at mesophilic conditions (35°C), and operating at different hydraulic residence times, HRT, from 1 to 10 days preserving the volumetric organic load around 10 kgCODs/m3day during 600 days it was possible
to adapt the anaerobic biomass to this effluents. The process included the initial dilution of the anaerobic reactor vinasses using tap water (from 10% up to 100% vinasses). Adaptation is difficult. Biogas production from 10 to 100% vinasses was 0.25 to 0.35 m3 biogas/kgCODs removed, with methane contents from 18 to 25 L CH
24 removal of 65%. Results demonstrated that vinasses biodegradation is acceptable in spite of the adaptation problems confronted. Taking the data obtained in this research it can be said that an ethanol production plant, considering a unit production of 1 m3/d, generating 10 m3/d vinasses, may have around 100 kg CODs and with these organics produce 35 m3
biogss/d and 2.5 m3 CH 4/d.
Palabras clave: Vinazas, RALLFA, mesofilia, proceso anaerobio Key Words: Vinasses, UASB reactor, mesophilia, anaerobic process
INTRODUCCIÓN
El etanol se produce a partir de la fermentación2 de productos agrícolas como los de la caña, maíz, trigo, remolacha, yuca, entre otros cultivos (Brethauer y Wyman, 2010). La mayoría de la producción de etanol a nivel mundial proviene de la caña, principalmente en Brasil y de maíz en los Estados Unidos. Los dos países juntos producen 35.4 millones de metros cúbicos y representan el 72% de la producción mundial (EIA, 2008). En México, se cultivan aproximadamente 50 millones de toneladas métricas de caña, para una producción de 5.8 millones de TM de azúcar y 1.8 millones de TM de melazas (zafra 2004/05); uno de cuyos destinos finales es precisamente la producción de alcohol de distintas calidades. En años recientes, se han instalaron en dos destilerías de ingenios azucareros, columnas deshidratadoras, para la obtención de alcohol anhidro, mejor conocido como etanol, para uso como carburante asociado a las gasolinas convencionales (Enríquez-Poy, 2007).
El uso de etanol como combustible en vehículos ha incrementado la incertidumbre sobre su sustentabilidad y sus consecuencias negativas y positivas. Los impactos negativos de la producción a gran escala de etanol a partir de caña o de cualquier insumo agrícola, pueden ocasionar destrucción o daño a los ecosistemas, deforestación, degradación o daño a los suelos por el uso de fertilizantes químicos ; contaminación de recursos acuíferos por generación de aguas residuales, competencia entre la producción de alimentos y de combustible, disminuyendo la seguridad alimentaria y promoviendo el deterioro de las condiciones laborales en el campo (Goldemberg et al., 2008).
En lo que se refiere a la generación de aguas residuales por la producción de etanol, la corriente más importante es la derivada de la destilación de los mostos fermentados para incrementar las concentraciones de alcohol etílico de 10 a 95%. En la primera columna de los trenes de destilación es donde se separan los residuos de la fermentación y a esta corriente se le llama vinaza (por denominar al mosto fermentado vino). En México, por ejemplo, por cada litro de alcohol etílico producido a partir de melazas de la caña de azúcar se generan entre 10 y 12 litros de vinazas. Así, se estima que en México, con la producción de 70,000 m3/año de alcohol se generan 840,000 m3/año de vinazas (Jiménez y col., 1995). La producción de tequila (55% de alcohol) en México para el 2008 fue de 227 millones de litros y por lo tanto, se produjeron 2,270 millones de litros de vinazas de tequila (López-López y col., 2010).
2 La fermentación fue descubierta por Louis Pasteur y él mismo le puso el nombre de fermentación, del latín fermentare,
fermentatio, feermentationis, producir etanol a partir de azúcar. Ésta es la verdadera fermentación y no la “nueva”
25 Las vinazas representan el más importante impacto ambiental por sus altas concentraciones de compuestos orgánicos e inorgánicos que, medidos como demanda química de oxígeno, pueden ser de 70,000 a 120,000 mg DQO/L. Salen de la torre de destilación a temperaturas entre 70 y 80°C y sus valores de pH están entre 4 a 5, ya que los caldos de cultivo de la levadura Saccharomyces cerevisiae son acidificados con ácido sulfúrico para evitar la proliferación de otros microorganismos oportunistas durante la fermentación. Estas propiedades de las vinazas pueden cesar la capacidad de purificación natural de los cuerpos receptores acuíferos o alterar la composición de los suelos (García y col., 1997). Para reducir la cantidad de contaminantes orgánicos en las vinazas algunos de los procesos estudiados son la remoción de partículas por métodos químicos (Peña y col., 2003), tratamientos aerobios (Cibis y col., 2011), composta (Díaz y col., 2002), tratamientos anaerobios (Satyawali y Balakrishnan, 2008), degradación fotocatalítica (Santana et al., 2008) y combustión (Bhandari y col., 2004). La degradación anaerobia es un proceso comercialmente establecido y uno de los que genera biogás rico en metano que es susceptible de convertirse en energía eléctrica como una energía renovable a partir, en este caso, de un subproducto de la producción del ahora llamado bio-etanol.
MATERIALES Y MÉTODOS Reactor anaerobio
Se utilizó un reactor anaerobio de lecho de lodos de flujo ascendente (RALLFA), de forma cilíndrica, con
un volumen de trabajo de 10 L (Figura 1), construido previamente para otra investigación (Casarrubias y Hernández, 1996). El RALLFA es un tubo cilíndrico de acrílico de 10.16 cm de diámetro interno y
128.75 cm de longitud. El reactor tiene una chaqueta envolvente de acrílico de 15.24 cm de diámetro interno y 65 cm de longitud, colocada a 15 cm de la parte inferior y 45 cm por abajo de la parte superior del tubo de acrílico interno, con la finalidad de recircular agua caliente para mantener la temperatura de operación a 35ºC. El agua caliente proviene de un baño maría automático con controlador de temperatura marca Grant (0-150 ± 0.004ºC) de 14 litros de volumen. Para la alimentación del influente al reactor se emplea un motor de 1-100 rpm marca Cole-Parmer y una bomba de tipo peristáltico marca Masterflex con una línea L/STM 13. En la parte superior del RALLFA
está colocado un separador gas-líquido construido con un embudo y una mampara de plástico, el primero ubicado aproximadamente a 55º con respecto de la horizontal, separando el efluente del biogás y reteniendo la biomasa que pudiera arrastrarse por las burbujas ascendentes del biogás. El biogás se colecta en un medidor de gas marca Precision Petroleum Instruments para pruebas de humedad alta y mediciones hasta 680 L/h, Modelo Wet Test Meter. El efluente del reactor anaerobio descarga a un sedimentador secundario de 16 L de volumen, construido de acrílico en forma cilíndrica y de fondo cónico. El sedimentador posee una recirculación de lodos anaerobios recolectados en el sedimentador, al lecho de lodos del RALLFA.
Inóculo
26
Figura 1 Reactor anaerobio UASB empleado para la adaptación de un inóculo anaerobio a vinazas
El inóculo estaba adaptado para tratar aguas residuales con 2,000 mgDQOt/L en el influente. Las vinazas tienen una concentración de DQOt de 90,000 a 125,000 mg/L, por lo que para el inicio de la etapa de adaptación, se diluyeron las vinazas a un 10% con agua residual de la planta cervecera. Las vinazas y aguas residuales de la cervecería que fueron utilizadas para la realización de esta fase se mantuvieron en recipientes cerrados de cloruro de polivinilo, almacenados a 4ºC. Los cambios de dilución fueron 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 80, 90%, hasta llegar a alimentar 100% vinazas.
Métodos cromatográficos
27 térmica, DCT a 150ºC para CH4, CO2 y H2S, y de ionización de flama, DIF a 150ºC para CH4. Horno 30ºC por 3 minutos, 45ºC/min hasta 100ºC.
Parámetros de control
La medición de la alcalinidad permite detectar una posible desestabilización en el reactor. El método propone la utilización de la relación de volúmenes de ácido gastados en la titulación de la alcalinidad de la muestra a valores de pH de 5.75 y 4.3. El método de titulación propuesto por Jenkins y col. (1991), lleva la valoración hasta un pH de 5.75. A este valor de pH se titula el 80% de HCO3_ y solamente se cuantifica el 6% de las sales de ácidos orgánicos débiles, lo cual introducirá un error relativo pequeño. Por lo tanto, la diferencia entre el volumen gastado para la titulación de la muestra hasta un pH de 4.3, menos el volumen gastado hasta un pH de 5.75 será el volumen consumido por los AGV presentes.
Este método propone emplear la relación de estos volúmenes (Alc4.3-Alc5.75)/Alc4.3 como parámetro de control. Un sistema tendrá una excelente capacidad amortiguadora cuando esta relación (α) tiene un valor cercano a 0.20. Teóricamente, para reactores anaerobios, el valor máximo que debiera alcanzar este parámetro es de 0.40, que representaría un 60% en su capacidad amortiguadora; sin embargo, a nivel práctico se ha encontrado que este valor es menor. En trabajos de control de RALLFA por este
sistema, se ha encontrado que por encima de 0.35 el sistema presenta condiciones de acidificación (Rojas-Chacón, 1988a).
Otros parámetros de control son las producciones de metano y CO2, remoción de DQO debido a que en desequilibro del sistema, la línea de transformación de materia orgánica a metano disminuye y aumenta la producción de CO2. En desequilibrio del sistema la remoción de materia orgánica disminuye por la desestabilización microbiana.
Seguimiento analítico
Para determinar la DQO se empleó un micro-método colorimétrico (Oaxaca-Grande, 1997). La evaluación se realiza solamente para la DQO soluble, separando el material suspendido por centrifugación a 5,000 rpm y empleando solamente el sobrenadante. El N, C y S totales se determinan mediante un analizador elemental Carlo Erba, modelo EA 1110. Las pruebas se basan en la medición de los gases obtenidos a partir de la calcinación de la muestra a 1000ºC. Los gases generados pasan a través de una columna que los separa, para después cuantificarse, de acuerdo con el procedimiento establecido por Cruz e Iriarte (1998). Una correlación para vinazas de DQO-carbono total se hizo en la presente investigación conformando más de 100 datos. La Figura 2 muestra la correlación. La ecuación de esta correlación es la siguiente:
28 gravimétrico con ignición del residuo) se obtienen empleando los métodos normalizados para el análisis de aguas potables y residuales (APHA, 1985).
y = 28.161x + 2.2875 R2 = 0.936 0 20 40 60 80 100 120 140 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 % de carbono gD QO/L
Figura 2. Correlación de mgDQO/L versus % de carbono total para vinazas
RESULTADOS Y DISCUSIÓN Caracterización físico-química
La Tabla 1 presenta el análisis físico-químico promedio que se analizaron de las vinazas y de las aguas residuales de la cervecería que se utilizaron como alimentación al reactor. La mezcla de alimentación para el reactor se compuso de una dilución de las vinazas con aguas cerveceras donde fue obtenido el inóculo. De esta forma, la biomasa anaerobia adaptada a aguas cerveceras recibió gradualmente vinazas y por tanto, adaptándose a ellas. Puede observase en la Tabla 1 que las aguas cerveceras poseen un pH mayor al de las vinazas, por lo que se pensó que al realizar la mezcla para la adaptación del inóculo tendrían la capacidad de amortiguar la acidez de las vinazas. Pero esto no ocurrió, fue necesario adicionar una mezcla de agentes neutralizantes (421 mgCa/L y 1,200 mgNaHCO3/L). Al agregar la fórmula química, la relación de alcalinidad se redujo de 0.3-0.4 a 0.1-0.2, pero el valor de pH de la alimentación siguió descendiendo conforme se aumentaba la proporción de vinaza. El procedimiento anterior ofreció resultados adecuados, ya que la operación no presentó acidificación lo cual fue verificado por mediciones de un pH cercano al neutro del efluente, estabilidad en la producción de metano y una relación de alcalinidad alrededor de 0.2.
Previo al arranque del RALLFA se realizó una caracterización del inóculo (Tabla 2) para establecer los
29 Los otros parámetros presentados en la Tabla 1 y 2, como los sólidos totales fijos (STF) pueden representar indirectamente la materia inorgánica presente en el inóculo. Los STF puede representar la concentración de materia inorgánica o inerte de la cual, los microorganismos anaerobios están adheridos para formar matrices, lo cual, comúnmente es una característica de la biomasa anaerobia (Zehnder, 1988). En la Tabla 3 se muestra las características del inóculo antes del experimento comparados con los resultados del trabajo de Elmitwallia y Otterpohlb (2007), que es un lodo disperso, poco denso para tratamiento de aguas residuales domésticas.
Tabla 1. Características físico-químicas de las vinazas y aguas residuales de una cervecería almacenadas a 4ºC
PARÁMETRO VINAZAS
Promedio CERVECERÍA AGUAS DE Promedio
Valor de pH 4.34 6.21
Sólidos totales, g/L 72.16 1.47
Sólidos suspendidos totales, g/L 9.50 0.70 Sólidos disueltos totales, g/L 62.66 0.77 Sólidos totales volátiles, g/L 47.25 0.93 Sólidos suspendidos volátiles, g/L 6.11 0.26 Sólidos disueltos volátiles, g/L 41.14 0.67 Sólidos totales fijos, g/L 24.91 0.54
Sólidos suspendidos fijos, g/L 3.39 0.44
Sólidos disueltos fijos, g/L 21.52 0.10 Demanda química de oxígeno total, g/L 90-120 2.70 Demanda química de oxígeno soluble, g/L 87-90 1.70
Sulfatos, g/L 15 0.10 Nitrógeno, g/L 1.88 1.05 Carbono, g/L 60.96 3.36 Sólidos sedimentables, mL/L 1.0 n.d. Fosfatos, g/L 1.25 n.d. Grasas y aceites, mg/L 2 n.d. Fósforo, mg/L 150 n.d. Calcio, mg/L 2,960 n.d. Magnesio, mg/L 1,370 n.d. Sodio, mg/L 310 n.d. Potasio, mg/L 2,550 n.d. n.d., no determinada
Parámetros de control y arranque del reactor
30
Tabla 2. Características físico-químicas de la biomasa anaerobia para inocular el RALLFA para la adaptación a vinazas
a condiciones mesofílicas PARÁMETRO VALOR obtenido en este trabajo Trabajo de Elmitwallia y Otterpohlb (2007) Valor de Ph 7.19 - Sólidos totales, g/L 114.8 -
Sólidos suspendidos totales, g/L 67.6 -
Sólidos totales volátiles, g/L 91.65 14.1
Sólidos suspendidos volátiles, g/L 31.30 -
Sólidos totales fijos, g/L 47.20
Demanda química de oxígeno, g/L 105.21 29.61
Nitrógeno, mg/g lodo anaerobio 37.71 -
Carbono, mg/g lodo anaerobio 238.04 -
Actividad metanogénica gDQO-CH4/gSSVdía 0.86 0.28
Digestibilidad %kgDQO/kgDQO 41 12
STV/ST % 79.8 55
DQO/STV mg/mg 1.15 2.1
Las desviaciones estándar están entre paréntesis
Tabla 3. Parámetros operacionales recomendados y usados en este trabajo para arranque de reactores anaerobios UASB
Parámetro
Recomendado
(Lettinga y col., 1982; Salkinoja y col., 1983; Hulshoff y col., 1986; Hulshoff-Pol, 1987; Wu y
col., 1988; Souza y col., 1992)
Obtenido para vinaza dluidas al 10% en este
trabajo
Concentración del inóculo 12 a 15 kgSSV/m 6 kgSSV/m33reactor inóculo concentrado reactor inóculo diluido 15 kgSSV/m3reactor
Temperatura 35º a 40ºC 35ºC
Vasc velocidad ascendente
0.125 m/h a 0.3 m/h 0.25 m/h para lodo disperso 1 a 2 m/h para lodo floculento 5 m/h para lodo granular
0.0988 m/h TRH 24 h los primeros 20 días de operación 24 h
BX carga orgánica másica 0.05 a 0.1 kgDQO/kg SSVdía 0.65 kgDQO/kgSSVdía
BV carga orgánica volumétrica 1 kgDQO/m3día 10.24 kgDQO/m3día
Concentración de DQO en el
influente del reactor 1,000 mgDQO/L 10,241 mgDQO/L
Eficiencia
31
Tabla 4. Parámetros operacionales del arranque del RALLFA en los 600 días de experimentación
% vin aza pH i n fluente pH efluente Ti empo de operaci ón, día s TR H (días) mgDQO/L kg D Q Orem/d P rod u ct ivi d ad LCH 4 /d LC 02 /d LH 2 S/d m 3 CH 4 /k g DQO rem kg D Q O-C H4 / kg D Q Orem % rem D Q O* C arga orgá n ica vol u métrica kgD Q O/m 3 día Vel ocidad ascenci ona l m/ h Ca rga o rg másica kgDQO/k gS S Vd Conc biomasa kg SS V /m 3 reactor 10 6.4 8 25 1 10,241 0.07 18 13 2.0 0.25 0.65 71 10.24 0.099 0.65 15.6 15 6.3 8.1 55 1.5 15,344 0.07 18 12 1.9 0.24 0.64 72 10.23 0.066 0.65 18.9 25 6.3 8 85 2.1 21,497 0.07 19 12 2.0 0.26 0.68 72 10.23 0.047 0.65 19.2 30 6.2 8 120 3 23,556 0.05 14 8 1.3 0.27 0.71 66 7.85 0.033 0.50 19.8 35 6.1 8.1 145 4 25,478 0.04 11 6 1.0 0.26 0.68 67 6.37 0.025 0.41 20.4 40 6 8 200 4.5 35,473 0.05 13 6 1.1 0.26 0.67 64 7.22 0.022 0.46 21.3 45 5.8 8 235 5 43,315 0.05 13 7 1.0 0.25 0.66 60 8.66 0.020 0.55 21.2 50 5.8 8.1 270 5.2 54,101 0.06 18 9 1.4 0.28 0.74 61 10.41 0.019 0.67 20.9 55 5.7 8 295 5.4 56,450 0.06 19 9 1.4 0.30 0.78 61 10.45 0.018 0.67 21 60 5.6 8 330 6 62,412 0.07 18 8 1.3 0.27 0.71 64 10.4 0.017 0.67 20.8 70 5.4 8 364 6.5 65,444 0.06 19 8 1.3 0.30 0.80 62 10.06 0.015 0.64 22.3 80 5.3 8 398 6.8 68,961 0.06 21 9 1.5 0.34 0.89 61 10.14 0.015 0.65 22.7 85 5.1 8.1 420 7.1 77,109 0.07 22 9 1.4 0.33 0.86 62 10.86 0.014 0.69 22.9 90 4.9 8 450 8 96,463 0.07 23 9 1.4 0.31 0.81 62 12.05 0.012 0.77 23 100 4.9 8 500 10 115,319 0.07 24 9 1.4 0.34 0.89 61 11.53 0.010 0.74 23.1 100 4.9 8.1 600 10 117,256 0.07 25 9 1.5 0.35 0.92 61 11.72 0.010 0.75 23.3
32 biogás cada vez menores conforme aumentaban la carga orgánica volumétrica de 4 a 22 kgDQO/m3día (remoción de DQO de 92 a 75% y de metano en el biogás de 75 a 60%, respectivamente).
En la misma Tabla 4 puede observarse un aumento entre la concentración de la biomasa al inicio y al final de la operación de adaptación. Esto fue debido a que, conjuntamente con la biomasa sintetizada captada por el sedimentador secundario y retornada al lecho de lodos del reactor, se introdujeron lodos anaerobios nuevos para reestablecer la biomasa perdida que no pudo ser recobrada en el sedimentador. El lodo anaerobio se incrementa 0.05 kg/kgDQO degradada concordando con lo consultado en la literatura (Lettinga y col., 1982).
La biomasa anaerobia “elutriada” por el efluente del reactor se recolectó en el sedimentador secundario. Conforme la concentración de DQO en el influente iba incrementándose se manifestó un fenómeno de ruptura de los flóculos anaerobios con la consiguiente reducción de su densidad y su escape en el efluente del reactor (“elutriación”). Esto provocó que la relación de la concentración de sólidos del efluente con respecto a la concentración de sólidos del influente fuera, en ocasiones, mayor (en todas las formas de sólidos). Algunas veces, los sólidos totales de salida eran 1.5 veces mayores que los del influente. Lo mismo se observó cuando se incrementó la proporción de vinaza al 20% y, al llegar a 50% de vinaza, fue de 5 veces mayor en el efluente y, con 100% vinaza, la relación fue de 10 veces mayor en el efluente. Por tanto, la DQO se determinó como DQO soluble para evitar la interferencia de sólidos elutriados en el efluente del reactor.
Uno de los problemas del tratamiento anaerobio de las vinazas es la pérdida de lodo anaerobio por el efluente (Pérez y col., 1997). El contenido de fenoles en las vinazas afecta la granulación de la biomasa ya que los compuestos fenólicos tienden a ser tóxicos y los resultados de esta toxicidad involucran lentamente una pérdida de actividad biológica anaerobia. La toxicidad se atribuye a dos causas: 1) Penetración de los compuestos fenólicos en las bacterias a través de la membrana celular (Field, 1989) y 2) Facilidad de los compuestos fenólicos por interactuar con proteínas de las membranas celulares (Haslam, 1974).
A lo largo de los 600 días requeridos para tener un reactor alimentado con vinazas sin diluir hubo solamente una desestabilización del sistema cuando se alimentó a 35% de vinazas. El equilibrio se recobró al cabo de 48 horas al reinocular el equivalente al lodo perdido en el efluente por medio de la recolección de la biomasa en el sedimentador. Además, se redujo el flujo a un 25% menor al correspondiente. Su reestablecimiento se hizo lentamente. Este procedimiento de recuperación del flujo original se hizo manteniendo la estrategia de obtener una eficiencia de remoción de DQO soluble cercana a 60% y un porcentaje de metano en el biogás mayor al 50%. Es posible que la desestabilización haya sido ocasionada por un fallo en el suministro eléctrico, provocando que la temperatura bajara súbitamente. Como después de este incidente se instaló una planta de luz de emergencia a diesel para el laboratorio en su conjunto, este problema ya no se repitió.
Seguimiento analítico
33 entre 0.1 y 0.2 (cuando es mayor a 0.4 indica la posible acidificación del sistema), con excepción del lapso mencionado anteriormente.
La Figura 3 muestra la concentración de DQO en el influente con respecto a la del efluente. Se muestra que a partir del día 500 hay estabilidad entre la DQO de entrada y de salida. Se conserva un porcentaje de remoción de DQO entre 60 y 70% como lo muestra la Figura 4. A partir del día 200 (45% de vinazas), el porcentaje de remoción estuvo entre 58 y 65% con un tiempo de residencia hidráulica de 5 días hasta alcanzar el 100% de las vinazas con un TRH de 10 días.
0 20000 40000 60000 80000 100000 120000 140000 0 100 200 300 400 500 600 Tiempo (días) D Q O to ta l m g/ L Influente Efluente
Figura 3. DQO en el influente y efluente del reactor anaerobio para la adaptación de la biomasa anaerobia a vinaza
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Tiempo de residencia hidráulica (TRH)
% re m oc ión d e D Q O
34 La Figura 5 presenta la productividad de CH4 (a PTS) con respecto al tiempo de operación. La figura indica su tendencia a aumentar hasta llegar a la estabilidad, pero se observa un decaimiento en los días 100 a 300, cuando se alimentó de 30 a 45% vinaza. En esta etapa se observaron dificultades de degradación de materia orgánica (medida como DQO) y de conversión de la materia carbonosa a metano principalmente. La eficiencia de conversión de los materiales disueltos en la vinaza a metano (mgDQO-CH4/kgDQOrem) va aumentando conforme se incrementa la proporción de vinaza en la alimentación. Es posible que los microorganismos anaerobios, conforme se adaptan a las vinazas, incrementan la conversión de materia orgánica a CH4 (Figura 6).
0 5 10 15 20 25 30 0 100 200 300 400 500 600 Tiempo de operación (días)
L C H 4/ d ía 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 0 100 200 300 400 500 600 Tiempo de operación (días)
k gDQ O -CH 4/ k gD Q O re m
Figura 5. Producción de metano Figura 6. Conversión de materia orgánica a metano
Para un sistema ideal, se tiene que 350 LCH4/kgDBO=15.625 molesCH4/kgDBO=1000gDQO-CH4/kgDBO. Los resultados obtenidos en la presente investigación corresponden a estos valores si la equivalencia de DBO fuera la misma de la DQO. Debe considerarse que estos valores se refieren a un sistema ideal, por lo que al tener diferentes tipos de especies anaerobias para la degradación de un sustrato complejo, la producción de metano depende de la degradación de compuestos carbonosos de baja masa molecular a metano. Una biomasa anaerobia mixta, la población metanogénica estará presente de 1 a 10% de la biomasa total (Soto y col., 1993).
35 diferentes en cada caso. Por ejemplo, cuando las vinazas provienen de la fermentación de jugos (remolacha, caña) o cuando éstas provienen de la fermentación de mieles finales. En este último caso, parte de los azúcares se caramelizan y, por ende, son menos biodegradables.
0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.95 0 5 10
Tiempo de residencia hidráulica (TRH)
kg DQ O -CH 4/ kg DQ O re m
Figura 7. Rendimiento de producción de CH4 a PTS en kgDQO-CH4/kgDQOremovida,con respecto al TRH obtenida
en el reactor para la adaptación de la biomasa anaerobia a vinaza
La Tabla 6 muestra diferentes estudios para el tratamiento de las vinazas con sistemas anaerobios y también algunos parámetros operacionales. Aparentemente los trabajos realizados con vinazas diluidas no presentan problemas de producción de H2S o no fueron medidos porque no son mencionados, a pesar de que los sulfatos están presentes en las vinazas. Pero en esta investigación, aún en vinazas diluidas al 10% se obtuvo 6.12% de H2S en el biogás. El porcentaje de remoción de DQO obtenido en la presente investigación está dentro del intervalo de los estudios presentados en la Tabla 6, que es de un 60 a un 85%. La producción de CH4 con respecto a la DQO removida para la presente investigación es aproximadamente oscila a los resultados presentadas en los otros trabajos de la Tabla 6.
El TRH utilizado en el trabajo de Ranade y col. (1999) fue de 30 días, mientras que para la presente investigación fue de 10 días. El tiempo de adaptación de la biomasa anaerobia a la vinaza, para Ranade y colaboradores fue de 300 días, a diferencia de este trabajo que requirió de 600 días. Naturalmente, esta adaptación más lenta permitió tener un TRH de la mitad del requerido por estos autores.
Espinoza y Noyola (1992) realizaron un trabajo sobre el tratamiento anaerobio de vinazas a 35ºC en un
RALLFA con recirculación del efluente. Ellos trabajaron a un TRH de 3.14 días alimentando vinazas
