TT-Tema 3 - Tratamiento Biológico

Tratamiento de Residuos
Tema 3
Tratamiento biológico
EUETI
Escola Universitaria de
Enxeñería Técnica Industrial
TRATAMIENTO BIOLÓGICO DE LOS RSU
Para el tratamiento biológico de RSU existen al menos tres opciones:
•Aerobio o compostaje
•Anaerobio o biogás
•Combinación de aerobio y anaerobio
•Tradicionalmente para el compostaje se usaba los RSU
biodegradables pero no separados. Aparecían contaminantes
como metales pesados.
•La práctica actual consiste en usar solo la fracción de alimentos
de los RSU separada en origen. Se reduce la presencia de
contaminantes.
•Producción de biogas está despertando interés. 1992 se
construyó una planta de biogas a partir de RSU en Dinamarca.
• Los sistemas combinados aerobios-anaerobios son patentes
de compañías.
COMPOSTAJE
Es un proceso biológico aerobio en el que los microorganismos, en un medio
oxigenado, descomponen los residuos orgánicos biodegradables.
Materia orgánica + O2 Bacterias
aerobias
células nuevas + CO2+ H2O + NH3+ SO4=
•Los nutrientes (N, P, S, K, Mg, Ca, Na,...) se encuentran en los residuos
normalmente en cantidades suficientes.
•El producto final: compost, consta de sustancias minerales y humus (mat.
orgánico complejo).
•Requisitos del proceso:
•Temperatura
•Humedad
•O2
•relación C/N
•pH
•composición bioquímica y textura.
COMPOSTAJE
Temperatura
El proceso es exotérmico y la T varia durante su evolución.
Psicófilo: 15 a 20°C
Mesófilo: 25 a 35°C
Termófilo: 30 a 60°C
Los mejores resultados se alcanzan en la fase termófila.
T superiores inhiben la actividad biológica pero mejoran las
condiciones higiénicas del compost.
T>55°C durante 2 semanas ⇒ eliminación de patógenos
T>70°C durante 1 hora ⇒ idem
Humedad
Es necesaria para la actividad biológica. El proceso produce
agua.
Valor mínimo: 20%.
Valor óptimo: 50-60% . Por debajo disminuye la actividad
metabólica.
Valor > 50-60%, el agua llena los huecos interparticulares e
impide el acceso de O2, Disminuye la T. Se producen
condiciones anaerobias. Se forman malos olores.
COMPOSTAJE
Oxígeno
Se produce inhibición para O2<10% v/v
Valor óptimo: 15-20%
Para mejorar el transporte de O2 se practica la mezcla y
ventilación del compost.
Relación C/N
Es una medida de las condiciones bioquímicas óptimas y esta
se da en una relación C/N=30.
Así se asegura una cantidad de N suficiente para la síntesis
celular y no es tan elevada como para producir NH3
El compostaje tiene lugar hasta una relación C/N=20
Si C/N>30 no hay suficiente N para la síntesis celular y el
proceso se ralentiza por tener que pasar los microorganismos
por ciclos sucesivos de consumo de C, síntesis celular, muerte
y descomposición...
COMPOSTAJE
Relación carbono/nitrógeno en algunos materiales residuales
COMPOSTAJE
pH
pH óptimo: 6-8
El pH desciende en los primeros días hasta 5 por la producción
de ácidos orgánicos.
En la fase termofílica se reconsumen los ácidos producidos y el
pH sube.
Composición bioquímica
La composición influye en el proceso
Compuestos fácilmente biodegradables: plantas, lodos
depuradora, residuos de alimentos.
Compuestos de biodegradación lenta: paja, madera, hojas,
residuos de jardín, papel (elementos con alto contenido en
lignina).
Textura
Accesibilidad de los microorganismos
Formación de un habitat
Retención de humedad y oxígeno...
SISTEMAS DE COMPOSTAJE
1. Hileras volteadas tradicionales
2. Pila estática aireada
3. Compostaje en recipientes cerrados
Hileras volteadas tradicionales
Se separan los elementos no biodegradables o de biodegradación
lenta.
Los RSU se disponen en pilas triangulares alargadas (hileras) sobre
una superficie dura. Altura: 1-2 m. Ancho: 3-4 m.
Se voltea periódicamente la pila para airear.
El proceso se completa en más de 3 meses. Se deja curar el
compost durante 12 meses.
Pila aireada estática
Los RSU se disponen en pilas (1-2 m altura, 3-4 m ancho, 20 m
longitud) sobre suelos con sistemas de ventilación por tubos
perforados.
Se airea a intervalos regulares.
El proceso es más rápido que el anterior (4-6 semanas).
El sistema es más fácil de controlar y la calidad del compost es más
uniforme.
SISTEMAS DE COMPOSTAJE
Compostaje en recipientes cerrados
Reactores horizontales de F.P.
Reactores verticales de flujo continuo
Tambores rotatorios
SISTEMAS DE COMPOSTAJE
SISTEMAS DE COMPOSTAJE
Esquema de la evolución de pH y temperatura
en compostaje aireado y no aireado.
SISTEMAS DE COMPOSTAJE
Aspectos ambientales
•Olores
Hg, Cu, Cd, Zn, Cr
Provienen de baterías, pinturas, plásticos,
papeles.
La fracción alimentaria separada en origen de un
compost da lugar a bajos valores de metales
pesados
•Esterilización
El aire de ventilación puede tratarse en biofiltros
•Metales pesados
•Contaminantes
Selección de residuos para reducir la cantidad
de contaminantes inertes como vidrio, metal,
goma y papel parcialmente degradado
DIGESTIÓN ANAEROBIA
La producción de energía de los RSU se puede optimizar incluyendo
la digestión anaerobia en los sistemas integrados de separación de
residuos y recuperación de materiales.
La D.A. no es adecuada sin separación previa por la presencia de
vidrio, metales, productos textiles...
La fracción alimentaría es ~35% (70% humedad).
Materia orgánica + H2O
Bacterias
anaerobias
células nuevas + CO2+ CH4 + NH3+ SH2
Lodos
Líquido
Abono líquido
Recirculación al digestor
Sólido
Fertilizante
Acondicionador del suelo
DIGESTIÓN ANAEROBIA
MO - compuestos orgánicos complejos
(carbohidratos, proteínas, lípidos)
Hidrólisis
compuestos orgánicos simples
(azúcares, aminoácidos, etc)
Acidogénesis
ácidos orgánicos
(acetato, propianato, butirato, etc)
Acetogénesis
acetato + H2 + CO2
Metanogénesis
CH4 + CO2
Proceso biológico anaerobio material orgánico complejo → CO2 + CH4
Este proceso consta de una serie de etapas, en serio o serie-paralelo, en la que están
implicadas un número considerable de especies bacterianas.
ETAPAS DE PROCESO
Metanogénesis: finalmente se produce metano a partir de acetato
(bacterias metanogénicas acetoclásticas) y de H2S y CO2 (bacterias
metanogénicas hidrogenotróficas).
Acetogénesis: los productos generados en la etapa anterior son
transformados en sustrato para las bacterias metanogénicas.
Acidogénesis: los productos solubles son convertidos en ácidos grasos
volátiles, CO2, H2, H2S, etc, por la acción de las bacterias fermentativas
acidogénicas.
Hidrólisis: los compuestos orgánicos complejos (material particulado) son
transformados en material disuelto más simple, por medio de enzimas
producidas por bacterias fermentativas.
DIGESTIÓN ANAEROBIA
Material orgánico complejo
CH4 + CO2
Las nueve etapas mas importantes y características de la digestión
anaerobia (según Harper y Pohland, 1986) son las siguientes:
1. Hidrólisis de polímeros a monómeros. (µorg. hidrolíticos).
2. Conversión de monómeros a H2, CO2, AGV y otros prod. org. (Et-OH, láctico...)
(bact. fermentativas).
3. Oxidación de compuestos orgánicos reducidos a H2, CO2 y ácido acético.
(bact. acetogénicas productoras obligadas de hidrógeno, APOH).
4. Respiración acetogénica de bicarbonato. (bact. homoacetogénicas, HA).
DIGESTIÓN ANAEROBIA
5. Oxidación de compuestos orgánicos reducidos a CO2 y acetato en presencia de
sulfato y nitrato. (bact. sufato- reductoras SR y nitrato-reductoras, NR).
6. Oxidación de acetato a CO2 por bact. SR y NR.
7. Oxidación de H2 por batc. SR y NR.
8. Fermentación de ac. acético por bact. metanogénicas acetoclastas (MA).
9. Respiración metanogénica de CO2 por bact. metanogénicas hidrogenófilas (MH).
DIGESTIÓN ANAEROBIA
Etapas de la digestión anaerobia según
Harper y Pohland, 1986.
DIGESTIÓN ANAEROBIA
Composición del biogás
Dismutación
oxidado
C orgánico → CO2 + CH4
reducido
Para cada compuesto se puede definir
un nº de oxidación medio
CxHyOzNt
NOMC = (2z + 3t - y) / x
Estimar la producción relativa de
CH4 y CO2
DIGESTIÓN ANAEROBIA
Composición del biogás
DIGESTIÓN ANAEROBIA
Composición del biogás
• Este parámetro es difícil de evaluar
• Se puede buscar una relación con otros parámetros fácilmente medibles
NOMC = 4 - 3/2 (DQO/CT)
• El pH y la alcalinidad influyen en la composición del gas obtenido. Si el pH es
alcalino, parte del CO2 se disolverá en el efluente, dando lugar a un gas más rico
en metano.
DIGESTIÓN ANAEROBIA
DQOi
DIGESTOR
DQOi = DQOs + DQOm + DQOp + DQOa
i
s
m
p
a
=
=
=
=
=
influente
efluente líquido
microorganismos desarrollados
productos
posible acumulación
DQOp
DQOs
DQOsd
DQOm
Fracción biodegradable que
permanece en el efluente líquido
DIGESTIÓN ANAEROBIA
Definir:
•Porcentaje de metanización
( DQOp / DQOi ) x 100
•Biodegradabilidad anaerobia (( DQOp + DQOm + DQOsd ) / DQOi ) x 100
DQOi
DQOi - DQOs = DQOm - DQOp
DIGESTOR
•DQO eliminada
DQOp
DQOs
CO2 y CH4
Productos mayoritarios
CO2: DQO nula
DQO CH4: 4 g O2/g CH4
DQOsd
DQOm
Biomasa (lodos)
Fase sólida
DIGESTIÓN ANAEROBIA
Producción máxima de 381,8 l de metano por cada kg de DQO eliminada
(P = 1 atm, T = 25ºC), formación de biomasa nula.
En la práctica:
•Metano representa el 85-95% de DQO eliminada
•Biomasa: 5-15%
•Producción de metano entre 330 – 360 L CH4 / kg DQO eliminada
Limitaciones
•Asimilación diferente de los distintos sustratos por los microorganismos.
•Se produce la modificación simultánea del número de oxidación de los
heteroátomos, aunque en pequeña proporción se producen otros gases como
H2, H2S e incluso N2.
•Estos coproductos también contribuyen a la eliminación de DQO.
DIGESTIÓN ANAEROBIA
pH
Diferente sensibilidad de los distintos grupos tróficos al pH del medio
pH para actividad óptima
7,2 – 7,4
6
6 – 6,2
6,5 – 7,5
6,5 – 7,5
Bacterias hidrolíticas
B. acidogénicas
B. homoacetogénicas
B. metanogénicas hidrogenófilas
B. metanogénicas acidoclastas
Influencia del pH
• Cuando el pH es inferior a 6,5 comienza a disminuir la actividad de las b.
acetoclastas hasta que por debajo de 5,5 cesa completamente.
• El pH puede seguir disminuyendo (producción de AGV) por que se mantiene
la actividad de otros grupos tróficos aunque limitada.
• Existe una relación entre el pH, la alcalinidad y la presión parcial de CO2
DIGESTIÓN ANAEROBIA
pH
Es primordial mantener el pH en un intervalo adecuado para que las
poblaciones bacterianas mantengan su actividad máxima.
Limitaciones de la medida de pH
• Es una medida log de la concentración de H+
• El pH depende de la alcalinidad del medio.
• La alcalinidad depende a su vez del material tratado
Ej.: material proteico → producción de amonio → alcaliniza el sistema
DIGESTIÓN ANAEROBIA
Potencial redox
Conviene mantener el valor del potencial redox por debajo de -350 mV,
aunque no siempre no resulta posible.
Se puede operar de forma eficaz a valores de -200 mV.
DIGESTIÓN ANAEROBIA
Temperatura
•Existen tres zonas de temperatura para el funcionamiento de los µorganismos:
psicrófila (5-20ºC), mesófila (20-40ºC), termófila (50-70ºC)
•Estas zonas no están bien definidas por la existencia de bacterias
termotolerantes, que presentan actividad en zonas intermedias.
•Las bacterias termófilas pueden vivir en condiciones mesófilas.
•La temperatura afecta a la actividad de los microorganismos, y en menor
medida a las constantes de equilibrio fco-qco.
•La temperatura es fácil de medir, los digestores disponen de sistemas de
homogeneización eficaces, y los elementos de control de temperatura (válvulas
que regulan el flujo de fluido calefactor) tienen un comportamiento seguro y
fiable.
•Fallos en el sistema de calefacción pueden provocar serios problemas en el
proceso anaerobio.
DIGESTIÓN ANAEROBIA
Temperatura
•El tratamiento de sustratos complejos puede verse limitado por la velocidad de
la etapa hidrolítica a temperaturas inferiores a los 20ºC.
•Por razones económicas, la operación en el rango termófilo solo se considera si
el efluente a tratar esta por encima de los 50ºC.
Eficacia de depuración de un reactor
E(T) = E(30) t(T-30)
para T = 20 – 40ºC
E(T) = eficacia a una temperatura dada
E(30) = eficacia a 30ºC
t = coeficiente de temperatura: 1,01 – 1,02
Cambios de T = 5ºC provocan cambios en la DQO eliminada de un 10%
La validez de estas conclusiones dependerá de la velocidad de carga orgánica
(VCO) y del tipo de sustrato tratado.
DIGESTIÓN ANAEROBIA
Alcalinidad
•Un equipo operando con una alcalinidad elevada es más robusto porque puede
resistir cambios repentinos de pH.
•Es aconsejable mantener una alcalinidad superior a 1,5 g/L (como
bicarbonato). Es deseable que sea superior a 3 g/L.
•Adición extra de reactivos como factor de seguridad para evitar reducciones de
pH (siempre por encima de 6,5) por un aumento esporádico de AGV.
Determinación de la alcalinidad
•Norma 403 Standard Methods (APHA, 1985).
Alcalinidad total: valoración hasta pH 4,3.
•Este parámetro es poco sensible a la producción de AGV por lo que se ha
propuesto una modificación
Valoración hasta pH 5,75: alcalinidad parcial (AP) aportada por bicarbonato.
Valoración hasta pH 4,3: alcalinidad total (AT)
Alcalinidad intermedia: AI = AT – AP sería la contribución de las sales de
los AGV.
DIGESTIÓN ANAEROBIA
Alcalinidad
•La disolución del CO2 producido en el líquido permite aumentar la alcalinidad
•La recirculación del efluente del reactor permite el tratamiento de aguas
residuales ácidas sin adición externa de alcalinidad.
•Este efecto es todavía mayor si durante la digestión anaerobia se forman
componentes alcalinos como amonio.
DIGESTIÓN ANAEROBIA
•El proceso anaerobio requiere pocos nutrientes (ventaja) debido a la baja
producción celular.
•La concentración de nutrientes necesaria se puede evaluar a partir de:
Producción celular (YXS)
Composición celular: para bacterias es C5H9O3N
•El consumo de nutrientes dependerá del tipo de microorganismos implicados
•Y estos dependen del material a tratar
DQO / N / P
•Sustrato complejo
443 / 7 / 1
•Sustrato acidificado
2260 / 7 / 1
•En reactores con alto tiempo de retención de sólidos, parte de la biomasa
(principalmente la fracción acidogénica) es biodegradada y estabilizada en el
interior del reactor, devolviendo los nutrientes al medio.
•Es necesario mantener una concentración mínima de nutrientes para favorecer
su asimilación. Se aceptan los siguientes valores aunque se aconseja su
determinación en cada caso en base a la concentración de nutrientes en el
efluente.
DQO / N / P
600 / 7 / 1
DIGESTIÓN ANAEROBIA
D.A. con bajo contenido en sólidos
Sistema convencional. 4-10% de sólidos
Se requiere dilución del residuo (normalmente añadiendo lodos)
Gas: 50-70% CH4
1,5-2,5 m3 biogas/ m3 de reactor
0,25-0.45 m3biogas/kg SV biodegradable
Tiempo de operación: 20 días.
Tiempo de operación varía en función de la velocidad de carga,
biodegradabilidad del alimento y la temperatura del proceso.
D.A. con alto contenido en sólidos
Se emplea un 20-35% sólidos
Proceso Dranco alcanza un 30-35% sólidos
Tiempo de tratamiento: 16-20 días
Gas: 55% CH4
5-8 m3/ m3 reactor
140-200 m3 biogas/Tm RSU (40-60% sólido seco)
DIGESTIÓN ANAEROBIA
Diagrama de flujo de la digestión anaerobia de sólidos bajos
DIGESTIÓN ANAEROBIA
Tendencia general para el tiempo de digestión de una cierta
cantidad de materia orgánica. La curva puede variar según la
composición físico-química de la alimentación.
DIGESTIÓN ANAEROBIA
Proceso Dranco de sólidos altos para RSU orgánicos
METODOS ANAEROBIOS Y AEROBIOS DE 2 FASES
Se encuentran en fase de investigación y desarrollo
D.A. con alto contenido en sólidos + compostaje
Ventajas
•No necesita aporte de agua externa para producir alimento líquido de
entrada al digestor anaerobio
•No hay vertidos de agua
•Producción elevada de biogas: 5-10 m3/m3 de reactor
•Producto sólido estabilizado.
Diagrama de flujo para un tratamiento combinado
de RSU orgánicos y de lodo municipal.