TFM 2013 Pedro Bote - Instituto Universitario del Agua y las

Máster en Gestión Sostenible y Tecnologías del Agua
Instituto Universitario del Agua y de las Ciencias Ambientales
TRABAJO FIN DE MÁSTER
Estudio de los efectos del pH extremo
por adición de NaOH sobre la
producción y calidad del biogás y otros
parámetros de la digestión anaerobia
urbana
Pedro Alfonso Bote Tello
Tutor académico: Daniel Prats Rico
Tutor de empresa: Abel Seller Suárez
Septiembre 2013
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
CERTIFICADO
D. Daniel Prats Rico, Director del Instituto Universitario del Agua y de las
Ciencias Ambientales y Catedrático del Departamento de Ingeniería Química,
Certifica que el presente Trabajo Fin de Máster titulado “Estudio de los
efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y
calidad del biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana”
ha sido realizado en la empresa Depuración de Aguas del Mediterráneo S.L.
bajo mi supervisión, por D. Pedro Alfonso Bote Tello, y que reúne las
condiciones de calidad y rigor científico para que pueda ser presentado y
defendido ante la Comisión correspondiente.
En Alicante, a 20 de septiembre de 2013
Fdo.: D. Daniel Prats Rico
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
ÍNDICE
1. RESUMEN.............................................................................................................................. 1
2. INTRODUCCIÓN. ................................................................................................................. 2
2.1. Origen y composición de fangos. ..................................................................................... 2
2.2. El proceso de digestión anaerobia. ................................................................................ 3
2.2.1. Introducción al proceso. .................................................................................................. 3
2.2.2. Etapas de la digestión anaerobia. ................................................................................. 3
2.2.3. Factores que influyen al proceso de digestión anaerobia. ........................................ 6
2.2.4. Tipología de procesos. .................................................................................................. 14
2.3. Composición del biogás................................................................................................... 19
2.4. La estación de aguas residuales Novelda – Monforte del Cid. ................................. 20
2.4.1. Generalidades. ............................................................................................................... 20
2.4.2. Línea de agua. ................................................................................................................ 22
2.4.3. Línea de fangos .............................................................................................................. 27
3. OBJETO Y ALCANCE DEL TRABAJO. .......................................................................... 31
4. DESCRIPCIÓN DEL DIGESTOR PILOTO. .................................................................... 32
4.1. Descripción del sistema. .................................................................................................. 32
4.1.1. Línea de fangos. ............................................................................................................. 32
4.1.2. Línea de gases. .............................................................................................................. 36
4.1.3. Sistema de control. ........................................................................................................ 38
4.2. Esquema global del sistema. .......................................................................................... 40
5. PROCEDIMIENTO DEL TRABAJO. ................................................................................ 41
5.1. Puesta en marcha del digestor: cálculo del caudal de alimentación. ....................... 42
5.2. Proceso de alimentación del digestor piloto. ................................................................ 43
5.3. Toma de muestras de fango. .......................................................................................... 45
5.4. Dosificación de hidróxido de sodio al proceso de digestión anaerobia. .................. 46
5.4.1. Fundamento. ................................................................................................................... 46
5.4.2. Cálculo de la dosificación de hidróxido de sodio. ..................................................... 47
5.4.3. Procedimiento de dosificación de hidróxido de sodio. ............................................. 48
5.5. Metodología de los análisis realizados. ........................................................................ 48
5.5.1. Determinación de la alcalinidad total (TAC) y la acidez volátil (AGV). .................. 48
5.5.2. Determinación de la demanda química orgánica (DQO) en fangos. ..................... 53
II
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
5.5.3. Determinación del pH en fangos. ................................................................................ 55
5.5.4. Determinación de los sólidos totales del fango. ........................................................ 57
5.5.5. Determinación de los sólidos volátiles del fango. ..................................................... 60
5.5.6. Determinación del contenido en sulfuro de hidrógeno (H2S) y dióxido de carbono
(CO2) del biogás. ...................................................................................................................... 63
5.6. Control del biogás producido. ......................................................................................... 65
6. RESULTADOS Y DISCUSIÓN. ........................................................................................ 66
6.1. Primera fase. ..................................................................................................................... 66
6.1.1. Determinación de la alcalinidad total (TAC) y la acidez volátil (AGV). .................. 66
6.1.2. Determinación de la demanda química de oxígeno en fangos (DQO). ................. 69
6.1.3. Determinación del pH en fangos. ................................................................................ 71
6.1.4. Determinación de los sólidos totales (MS) y volátiles (MV) del fango. .................. 73
6.1.5. Control del biogás producido........................................................................................ 76
6.2. Segunda fase. ................................................................................................................... 77
6.2.1. Determinación de la alcalinidad total (TAC) y la acidez volátil (AGV). .................. 78
6.2.2. Determinación de la demanda química de oxígeno en fangos (DQO). ................. 78
6.2.3. Determinación del pH en fangos. ................................................................................ 81
6.2.4. Determinación de los sólidos totales (MS) y volátiles (MV) del fango. .................. 83
6.2.5. Control del biogás. ......................................................................................................... 86
6.2.6. Determinación de la composición del biogás. ........................................................... 87
7. CONCLUSIONES................................................................................................................ 89
8. BIBLIOGRAFíA. ................................................................................................................... 90
III
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 2.1. Composición típica de un fango urbano ....................................................... 2
Tabla 2.2. Principales ácidos grasos presentes durante la digestión ............................ 5
Tabla 2.3. Bacterias involucradas en la digestión anaerobia ........................................ 6
Tabla 2.4. Efecto de la temperatura en el tiempo de retención ..................................... 8
Tabla 2.5. Relación C/N para diversos sustratos ........................................................ 10
Tabla 2.6. Concentración de inhibición y toxicidad de metales pesados ..................... 12
Tabla 2.7. Concentración límite de cationes en sistemas anaerobios ......................... 13
Tabla 2.8. Comparación de los parámetros de diseño de un sistema de separación de
fases con uno de alta carga ........................................................................................ 18
Tabla 2.9. Composición del biogás en función del substrato utilizado ........................ 19
Tabla 2.10. Producción de biogás en función del substrato utilizado .......................... 19
Tabla 5.1. Caudal de alimentación del digestor de la planta. Fuente: DAM S.L. ......... 42
Tabla 6.1.Resultados de TAC y AGV de los fangos del digestor piloto. ...................... 67
Tabla 6.2. Resultados TAC y AGV de los fangos digeridos del digestor de planta. .... 67
Tabla 6.3. Variación del TAC y AGV de los fangos del digestor piloto con respecto a
los fangos del digestor de planta. ............................................................................... 67
Tabla 6.4. Resultados de DQO para los fangos digeridos del digestor piloto y del de la
planta. ......................................................................................................................... 69
Tabla 6.5. Variación de la DQO de los fangos del digestor piloto con respecto a los
fangos del digestor de planta. ..................................................................................... 70
Tabla 6.6. Resultados de DQO de los fangos mixtos de alimentación. ....................... 71
Tabla 6.7. Resultados de pH de los fangos digeridos del digestor piloto y del digestor
de la planta. ................................................................................................................ 71
Tabla 6.8. Variación del pH de los fangos del digestor piloto con respecto a los fangos
del digestor de planta.................................................................................................. 72
Tabla 6.9. Resultados de pH de los fangos mixtos de alimentación. .......................... 73
Tabla 6.10. Resultados de MS y MV de los fangos digeridos del digestor piloto y del
digestor de la EDAR. .................................................................................................. 73
Tabla 6.11. Variación del MS y MV de los fangos del digestor piloto con respecto a los
fangos del digestor de planta. ..................................................................................... 73
Tabla 6.12. Resultados de sólidos totales y volátiles de los fangos mixtos de
alimentación. .............................................................................................................. 75
Tabla 6.13. Control de la producción de biogás por el digestor piloto. ........................ 76
Tabla 6.14. Resultados TAC y AGV de los fangos digeridos del digestor piloto. ......... 78
Tabla 6.15. Resultados de DQO de los fangos digeridos del digestor piloto. .............. 79
Tabla 6.16. Resultados de DQO de los fangos mixtos para alimentación del digestor
piloto. .......................................................................................................................... 79
Tabla 6.17. Resultados de pH de los fangos digeridos del digestor piloto. ................. 81
Tabla 6.18. Resultados de pH de los fangos mixtos del digestor piloto....................... 82
Tabla 6.19. Resultados de MS y MV de los fangos digeridos del digestor piloto. ........ 83
Tabla 6.20. Resultados de MS y MV de los fangos mixtos para alimentación del
digestor piloto. ............................................................................................................ 84
Tabla 6.21. Control de la producción de biogás por el digestor piloto. ........................ 86
Tabla 6.22. Composición del biogás producido. ......................................................... 88
IV
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 2.1. Fases de la digestión anaerobia. (IDAE 2007) ........................................... 4
Figura 2.2. Dependencia de la constante de crecimiento de la temperatura ................ 7
Figura 2.3. Reactor de baja carga .............................................................................. 15
Figura 2.4. Reactor de alta carga de etapa única ....................................................... 16
Figura 2.5. Reactor de alta carga de doble etapa....................................................... 16
Figura 2.6. Contacto anaeróbico ................................................................................ 17
Figura 2.7. Sistema de separación de fases .............................................................. 18
Figura 2.8. Plano de situación de los colectores ........................................................ 21
Figura 2.9. Esquema de procesos EDAR Novelda - Monforte del Cid ........................ 22
Figura 2.10. Sección transversal de un espesador de gravedad circular .................... 28
Figura 2.11. Sección transversal de un espesador de flotación circular) .................... 28
Figura 2.12. Esquema de centrífuga para deshidratación de fangos .......................... 30
Figura 4.1. Instalación y detalle de la resistencia. ...................................................... 35
Figura 4.2. Válvula de alivio de presión. ..................................................................... 37
Figura 4.3. Captura del SCADA del digestor piloto. .................................................... 38
Figura 4.4. PLC del digestor piloto. ............................................................................ 39
Figura 4.5. Esquema global del sistema. (Elaboración propia) ................................... 40
Figura 4.6. Digestor piloto, visto desde el terciario. .................................................... 41
Figura 5.1. Conducción para el llenado de los bidones. Fuente: Vera, 2013. ............. 44
Figura 5.2. Llenado del bidón. .................................................................................... 45
Figura 5.3. Tubos de centrífuga con muestra de fango. ............................................. 50
Figura 5.4. Vasos de precipitados con sobrenadante resultante de la centrifugación. 50
Figura 5.5. Tubos en el interior de la centrífuga. ........................................................ 51
Figura 5.6. Inicio de la valoración ácido - base........................................................... 51
Figura 5.7. Ebullición del sobrenadante. .................................................................... 52
Figura 5.8. Cubeta para medición de DQO. ............................................................... 54
Figura 5.9. Cubetas de DQO tras la digestión en el termostato. ................................. 54
Figura 5.10. Medición de DQO en el espectrofotómetro. ............................................ 55
Figura 5.11. Medición del pH en fango digerido. ........................................................ 57
Figura 5.12. Desecador con crisoles de fango. .......................................................... 59
Figura 5.13. Pesada del crisol con muestra (P3)......................................................... 59
Figura 5.14. Pesado de crisol para mufla en báscula (P1). ......................................... 61
Figura 5.15. Extracción del crisol de la mufla y enfriamiento del mismo en el
desecador. .................................................................................................................. 62
Figura 5.16. Muestras de fango calcinadas en mufla (P3). ......................................... 62
Figura 5.17. Bomba manual de pistón y tubos colorimétricos. .................................... 64
Figura 5.18. Tabla de toma de datos para el control de biogás producido.................. 65
Figura 6.1. Representación de la alcalinidad total para el digestor piloto y para el de
planta y su porcentaje de variación. ............................................................................ 68
Figura 6.2. Representación de la acidez volátil para el digestor piloto y para el de
planta y su porcentaje de variación. ............................................................................ 69
Figura 6.3. Representación de la DQO para el digestor piloto y el de planta y su
porcentaje de variación. .............................................................................................. 70
V
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
Figura 6.4. Representación del pH para el digestor piloto y para el de planta y su
porcentaje de variación. .............................................................................................. 72
Figura 6.5. Representación de los sólidos totales para el digestor piloto y para el de
planta y su porcentaje de variación. ............................................................................ 74
Figura 6.6. Representación de los sólidos volátiles para el digestor piloto y para el de
planta y su porcentaje de variación. ............................................................................ 75
Figura 6.7. Producción de biogás del digestor piloto durante la primera fase de
investigación. .............................................................................................................. 77
Figura 6.8. Representación de la DQO para el fango mixto y para el fango mixto con
NaOH y su porcentaje de variación............................................................................. 80
Figura 6.9. Representación del pH para el fango mixto y para el fango mixto con
NaOH y su porcentaje de variación............................................................................. 82
Figura 6.10. Representación de los sólidos totales (MS) para el fango mixto y para el
fango mixto con NaOH y su porcentaje de variación. .................................................. 84
Figura 6.11. Representación de los sólidos volátiles (MV) para el fango mixto y para el
fango mixto con NaOH y su porcentaje de variación. .................................................. 85
Figura 6.12. Producción de biogás del digestor piloto durante la segunda fase de
investigación. .............................................................................................................. 87
VI
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
VII
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
1. RESUMEN.
La presente memoria recoge el estudio llevado a cabo por el autor del mismo
durante la realización de las prácticas en la EDAR Novelda – Monforte del Cid,
la empresa encargada de su explotación es la UTE SAV-DAM. El período de
prácticas ha sido aproximadamente de dos meses, desde el 10 de junio al 14
de agosto, en horario de mañana, de 8:30 a 13:30, abarcando un total de 240
horas.
El presente estudio, ha surgido de la necesidad de la empresa de experimentar
con su propio sistema de estabilización de fangos, para mejorar el rendimiento
general del mismo. Es por ello que la empresa cuenta con un digestor
anaerobio piloto, este sistema es análogo al de la planta y a pequeña escala,
permite la experimentación sin poner en peligro el funcionamiento del proceso
de estabilización por digestión anaerobia de fangos de la planta.
Cabe comentar que el estudio se ha organizado en dos etapas, por lo que se
podrán diferenciar dos objetivos.
El primero de ellos, es la puesta en marcha del digestor anaerobio piloto. Para
ello se persigue, que el digestor piloto sea capaz de trabajar con los mismos
parámetros de funcionamiento que el digestor anaerobio de planta, logrando la
estabilidad del proceso de digestión anaerobia en el digestor piloto. Por lo que
para ello, este ha sido alimentado con los mismos fangos mixtos con los que se
ha alimentado el digestor anaerobio de planta. Asimismo, se han llevado a
cabo, distintos análisis que han permitido comparar ambos sistemas.
Finalmente, se ha concluido que el digestor anaerobio piloto es capaz de
reproducir de una manera aproximada el funcionamiento del digestor anaerobio
de la planta. También cabe comentar que se ha logrado estabilizar el proceso.
Conseguida la estabilidad del proceso, el siguiente objetivo es el estudio de los
efectos del pH extremo, sobre el proceso de digestión anaerobia urbana. Para
ello se añadió hidróxido de sodio como aditivo al proceso, variando su dosis
progresivamente, de menor a mayor cantidad. Entre los parámetros analizados,
se investigará la producción y calidad del biogás obtenido. Se ha concluido que
a la vista de los resultados observados, el incremento progresivo de pH, ha
desestabilizado el proceso de digestión anaerobia, lo que ha afectado
negativamente a la producción de biogás y a la calidad del mismo.
1
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
2. INTRODUCCIÓN.
2.1. Origen y composición de fangos.
Los fangos procedentes de la depuración de aguas urbanas (E.D.A.R.) están
compuestos principalmente por tres grupos de sustancias orgánicas:
carbohidratos, proteínas y lípidos.
Estos fangos, que constituyen un sustrato complejo, se pueden caracterizar
generalmente por dos fracciones bien diferenciadas:
Fango primario: es el fango procedente de los decantadores primarios. Se
caracteriza por presentar un mayor porcentaje relativo de lípidos y un menor
porcentaje de proteínas respecto al fango secundario.
Fango secundario: es el fango procedente de los decantadores secundarios,
situados inmediatamente después del tratamiento biológico de la planta, por lo
que este fango contiene una fracción muy elevada de biomasa. Al tener la
biomasa heterótrofa una composición siempre similar, independientemente de
la línea de tratamiento de aguas que se utilice, el fango secundario tendrá
también una composición similar con independencia de la línea de tratamiento
de aguas donde se genere. Su componente mayoritario son proteínas. La
fracción de DQO inerte debería ser superior a la que presenta el fango primario
y depende del nivel de tratamiento biológico de aguas que exista en la E.D.A.R.
y de la edad del fango del mismo.
La mezcla de ambos fangos se conoce como fangos mixtos.
La siguiente tabla muestra la composición típica de los diferentes fangos
urbanos.
Tabla 2.1. Composición típica de un fango urbano. (Margarita Jover, 2012)
30-36
92-96
70-80
12-16
4-14
8-10
5,5-6,5
0,5-1,5
2-5
Fangos secundarios
(Fangos activados)
18-29
97,5-99,5
80-90
3-5
20-30
6-8
6,5-7,5
1,5-2,5
1-6
Fangos digeridos
(Mezcla)
31-40
92-96
55-65
4-12
10-20
5-8
6,8-7,6
0,5-1,5
3-7
103-105
100-1000
10-100
8-12
1-3
1-3
0,2-2
0,2-2
0,2-2
Composición
Fangos primarios
SS (g/hab·d)
Contenido de agua (%)
SSV (%SS)
Lípidos (%SS)
Proteínas (%SS)
Carbohidratos (%SS)
pH
Fósforo (%SS)
Nitrógeno (%SS)
Bacterias patógenas
(Nº por 100 ml)
Organismos parásitos
(Nº por 100 ml)
Metales pesados (%SS)
(Cr, Zn, Pb, Cu, Cd, Ni)
2
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
2.2. El proceso de digestión anaerobia.
2.2.1. Introducción al proceso.
La digestión anaerobia es un proceso microbiológico, mediante el cual la
materia orgánica compleja, en ausencia de oxígeno, y mediante la acción de un
grupo de bacterias específicas, se degrada hasta la formación de una mezcla
gaseosa, que está formada mayoritariamente por metano y dióxido de carbono,
que recibe el nombre de biogás.
La materia orgánica original está compuesta principalmente por hidratos de
carbono, lípidos y proteínas, y después de su fermentación da lugar a la
formación de unos lodos en los que se encuentran unos componentes difíciles
de degradar y una mezcla de productos minerales, compuestos principalmente
por nitrógeno, fósforo, potasio, etc.
En los procesos anaerobios, el 90 % de la energía, contenida en la materia
orgánica, medida como demanda química de oxígeno (DQO), es convertida en
biogás y el 10% restante es asimilado para la generación de nuevas células.
Los modelos tradicionales de digestión anaerobia, dividen las reacciones que
ocurren durante el proceso de mineralización de la materia orgánica en varias
fases, llevadas a cabo por la combinación de la actividad metabólica de
diferentes grupos de bacterias, anaerobias facultativas y anaerobias estrictas.
2.2.2. Etapas de la digestión anaerobia.
Podemos diferenciar entre cuatro fases o etapas en las que transcurre el
proceso de digestión anaerobia (figura 2.1):
1.
2.
3.
4.
Etapa hidrolítica.
Etapa fermentativa o acidogénica.
Etapa acetogénica.
Etapa metanogénica.
En la etapa hidrolítica, la materia orgánica compleja, de alto peso molecular,
como son los hidratos de carbono, las proteínas y lípidos son hidrolizados
mediante la acción de enzimas extracelulares producidas por las bacterias
hidrolíticas. Los productos de esta reacción son compuestos solubles más
sencillos, de bajo peso molecular, como los aminoácidos, ácidos grasos de
cadena larga, azúcares y alcoholes, los cuales serán transportados a través de
la membrana celular, para ser metabolizados por las bacterias anaerobias.
La etapa hidrolítica puede ser la etapa limitante de la velocidad global del
proceso, y está íntimamente relacionada con la naturaleza del sustrato, la
temperatura, el pH y la carga orgánica. De hecho, el tiempo de retención de
sólidos (TRS) y la temperatura del proceso son parámetros clave que controlan
3
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
la estabilización de los polímeros orgánicos del fango y, consecuentemente,
determinan el dimensionamiento de los digestores anaerobios (Huete, 2007).
Los fangos biológicos (secundarios) son más difíciles de digerir que los fangos
primarios, esto es debido a que el fango secundario está compuesto
mayoritariamente por material celular, sustancias poliméricas extracelulares
(EPS) y cationes, en vez de por compuestos más fácilmente biodegradables
como los hidratos de carbono y las grasas. Por lo que, no es posible una
completa y rápida degradación mediante digestión anaerobia de los fangos
biológicos debido a su lenta velocidad de hidrólisis. En la digestión de los
fangos primarios, aunque tanto la velocidad de hidrólisis como la
biodegradabilidad de los mismos son mayores, también la etapa limitante es la
hidrólisis.
MATERIA ORGÁNICA
PROTEÍNAS
CARBOHIDRATOS
LÍPIDOS
Bacterias
Hidrolíticas
HIDRÓLISIS
Aminoácidos, azúcares
Ácidos grasos, alcoholes
Bacterias
Fermentativas
ACIDOGÉNESIS
Compuestos intermedios
Ácidos Grasos
Bacterias
acetogénicas
ACETOGÉNESIS
Acetato
H2 + CO2
Bacterias
Homoacetogénicas
Bacterias
Metanogénicas
Acetoclásticas
METANOGÉNESIS
Bacterias
Metanogénicas
Hidrogenofílicas
CH4 + CO2
CH4 + CO2
Figura 2.1. Fases de la digestión anaerobia. (Modificado IDAE 2007)
Durante la etapa fermentativa o acidogénica los compuestos solubles
producidos en la etapa anterior son fermentados por la acción de las bacterias
fermentativas o acidogénicas, produciéndose ácidos grasos de cadena corta,
4
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
entre los que destacaremos el ácido acético, por su importante papel en la
digestión anaerobia, y en menor proporción otros compuestos como alcoholes
(etanol), hidrógeno y dióxido de carbono. Los principales ácidos grasos vienen
reflejados en la siguiente tabla:
Tabla 2.2. Principales ácidos grasos presentes durante la digestión
(Metcalf & Eddy 1996)
Ácidos orgánicos
Ácidos volátiles
Ácidos no volátiles
Ácido acético
Ácido láctico
Ácido propiónico
Ácido pirúvico
Ácido n-butírico
Ácido succínico
Ácido isobutírico
Estos ácidos grasos de cadena corta o ácidos grasos volátiles (AGV) son un
subgrupo de ácidos grasos con cadenas carbonatadas de menos de seis
carbonos. Su volatilidad es debida a la corta cadena carbonatada que poseen.
En la etapa acetogénica, los productos de la fermentación serán
transformados, por la acción de las bacterias acetogénicas, a acetato, dióxido
de carbono e hidrógeno principalmente. En esta fase intervendrán dos grupos
de bacterias encargadas de producir acetato:

Bacterias homoacetogénicas, caracterizadas por formar únicamente
acetato a partir de la mezcla de dióxido de carbono e hidrógeno.
4H2 + 2CO2 ↔ CH3COO- + H+ + 2H2O

Bacterias acetogénicas que transforman los compuestos intermedios de
la anterior etapa en acetato, dióxido de carbono e hidrógeno. Un
ejemplo de este tipo de reacciones, es la degradación del propionato
para obtener acetato y bicarbonato:
CH3CH2COO- + 3H2O ↔ CH3COO- + HCO3- + H2
Finalmente, en la etapa metanogénica, los productos finales de las etapas
anteriores, tales como el acetato, el hidrógeno y el dióxido de carbono, serán
transformados por la acción de las bacterias metanogénicas, en una mezcla
gaseosa compuesta principalmente por metano y dióxido de carbono, que
recibe el nombre de biogás. Podemos establecer dos grandes grupos de
bacterias metanogénicas:

Bacterias metanogénicas hidrogenofílicas, que utilizan el hidrógeno para
reducir el dióxido de carbono, y así producir metano.
4H2 + CO2 ↔ CH4 + 2H2O
5
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana

Bacterias metanogénicas acetoclásticas, caracterizadas por hidrolizar el
acetato, oxidando el grupo carbonilo a dióxido de carbono, y reduciendo
el grupo metilo a metano. Según la reacción:
CH3COOH- + H2O ↔ CH4 + HCO3-
Aproximadamente se estima que el 70% del metano producido en el proceso
de digestión anaerobia, procede de las bacterias metanogénicas
acetoclásticas.
Debido a que las bacterias metanogénicas son frágiles y de crecimiento lento,
es importante mantener óptimas las condiciones ambientales, como son
temperatura, pH, así como reconocer y subsanar las condiciones que causan
inestabilidad en el proceso.
La siguiente tabla recoge a las principales bacterias involucradas en el proceso
de digestión anaerobia.
Tabla 2.3. Bacterias involucradas en la digestión anaerobia.
Etapa
Hidrolíticas,
acidogénicas
Acetogénicas
Homoacetogénicas
Reductores de
protones estrictos
Metanogénicos
Género/Especie
Butyvibrio,Clostridium
Ruminococcus, Acetovibrio
Eubacterium, Peptococcus,
Lactabacillius, Streptococcus
etc.
Acetobacterium, Acetogenium
Eubacterium, Pelobacter
Clostridium, etc.
Metanobacillus omelionskii,
Syntrophobacter wolinii,
Syntrophomonas wolfei,
Syntrophus buswelii,etc
Methanobacterium
Methanobrevibacter Methanococcus
Methanomicrobium Methanogenium
Methanospirillium hungatei, etc.
Población mesofílica
en lodos residuales
108 -109 por ml
≈105 por ml
≈108 por ml
2.2.3. Factores que influyen al proceso de digestión anaerobia.
Las bacterias metanogénicas responsables de la conversión final de la materia
orgánica a un producto estable, son muy sensibles a las condiciones dentro del
digestor. Por lo que disminuirán su actividad si éstas no son mantenidas dentro
de unos niveles óptimos.
Existen una serie de factores que regulan el proceso de digestión anaerobia,
los podemos clasificar como factores debidos a las condiciones ambientales y
factores operacionales, a continuación revisaremos todos estos factores.
6
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
Factores ambientales
a) Temperatura:
La velocidad de reacción de los procesos biológicos depende de la velocidad
de crecimiento de los microorganismos involucrados que a su vez, dependen
de la temperatura. A medida que aumenta la temperatura, aumenta la
velocidad de crecimiento de los microorganismos y se acelera el proceso de
digestión dando lugar a mayores producciones de biogás.
La temperatura de operación del digestor, está considerada uno de los
principales parámetros de diseño, debido a la gran influencia de este factor en
la velocidad de digestión anaerobia. Variaciones bruscas de temperatura en el
digestor pueden provocar la desestabilización del proceso. Por ello, para
garantizar una temperatura homogénea en el digestor, es imprescindible un
sistema adecuado de agitación y un controlador de temperatura.
Existen tres rangos de temperatura en los que pueden trabajar los
microorganismos anaerobios: rango psicrófilo (por debajo de 25ºC), rango
mesófilo (entre 25 y 45ºC) y rango termófilo (entre 45 y 65ºC), siendo la
velocidad máxima específica de crecimiento (μmax) mayor conforme aumenta
el rango de temperaturas. Dentro de cada rango de temperatura, existe un
intervalo para el cual dicho parámetro se hace máximo, determinando así la
temperatura de trabajo óptima en cada uno de los rangos posibles de
operación. (figura 2.2)
Figura 2.2. Dependencia de la constante de crecimiento de la temperatura
Hasta el momento, el rango psicrófilo ha sido estudiado poco y, en general, se
plantea como poco viable debido al gran tamaño del reactor necesario. Sin
embargo, presenta menores problemas de estabilidad que en los otros rangos
de operación.
7
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
El régimen mesófilo de operación es el más utilizado a pesar de que en la
actualidad se está utilizando cada vez más el rango termófilo para conseguir
una mayor velocidad del proceso (lo que significa un aumento en la
eliminación de materia orgánica y en la producción de biogás) y una mejor
eliminación de organismos patógenos. Sin embargo, el régimen termófilo suele
ser más inestable a cualquier cambio de las condiciones de operación y
presenta además mayores problemas de inhibición del proceso por la mayor
toxicidad de determinados compuestos a elevadas temperaturas.
Tabla 2.4. Efecto de la temperatura en el tiempo de retención.
Temperatura
ºC
15
20
25
30
35
40
45
50
60
Tiempo
días
67,8
46,6
37,5
33,3
23,7
22,7
14,4
8,9
12,6
b) pH y alcalinidad:
Los diferentes grupos bacterianos involucrados en el proceso de digestión
anaerobia presentan unos niveles de actividad óptimos en torno a los
siguientes valores:



Fermentativos: 7,2 - 7,4
Acetogénicos: 7,0 - 7,2
Metanogénicos: 6,5 – 7,5
Para que el proceso se desarrolle satisfactoriamente, el pH no deberá bajar de
6 ni subir de 8. El valor del pH en el digestor no sólo determina la producción
de biogás sino que también la calidad del mismo. Un descenso del pH a
valores inferiores a 6 genera un biogás muy pobre en metano, por lo que el gas
tendrá menor poder calorífico.
El pH es una de las variables utilizadas en el diagnóstico de los sistemas
anaerobios (no se considera buena variable de control por ser muy lenta) ya
que muchos fenómenos tienen influencia sobre el mismo. Un ejemplo se esto
es la acidificación de un reactor anaerobio provocados por desequilibrios en la
producción y consumo de ácidos grasos volátiles. La acumulación de éstos
provoca un descenso en el pH que será más o menos acusado en función de la
alcalinidad del medio.
8
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
El pH afecta a los diferentes equilibrios químicos existentes en el medio,
pudiendo desplazarlos hacia la formación de un determinado componente que
tenga influencia en el proceso. Su papel es fundamental en el equilibrio amonio
- amoníaco, teniendo, por tanto, una gran importancia en el proceso global, por
ser el amoniaco libre un importante inhibidor de la fase metanogénica (Zeeman
et al., 1985). El pH influye también en el mecanismo de inhibición de
degradación de propionato por acético, siendo mayor la inhibición a pH bajos
(Fukuzaki et al., 1990), debido a que, el componente tóxico es la forma no
ionizada del ácido acético, que aumenta con la acidez del medio.
La alcalinidad es una medida de la capacidad tampón del medio. En el rango
de pH de 6 a 8, el principal equilibrio químico que controla la alcalinidad es el
dióxido de carbono-bicarbonato. Para evitar la acidificación del reactor se
recomienda que la relación entre la alcalinidad debida a los AGV y la debida al
bicarbonato no sobrepase un valor de 0,3 – 0,4 (Iza, 1995). La alcalinidad
debida al bicarbonato debe mantenerse en el intervalo entre 2500 - 5000 mg
CaCO3/l para poder asegurar la estabilidad del digestor (Fannin, 1987).
c) Ácidos grasos volátiles:
El contenido en ácidos grasos volátiles en el interior de un digestor, es uno de
los parámetros más útiles en el control del estado metabólico del proceso.
Teniendo en cuenta que estos ácidos juegan un importante papel como
intermediarios en la formación del metano, la acumulación de alguno de ellos
indica la modificación de las condiciones metabólicas en el digestor; por tanto
cualquier inhibición de las etapas finales de la metanogénesis provocará un
aumento de la concentración de ácidos volátiles y un descenso acusado del
pH.
El límite de concentración de ácidos volátiles para que el proceso se estable
varía según los datos encontrados en la bibliografía. Puede variar entre los 200
mg/l (referido a ácido acético equivalente) y los 2000 mg/l, concentración a la
que se provoca la inhibición de las bacterias metanogénicas pero no así las
acidogénicas (McCarty y McKinney, 1961; Kotze et al. 1969; Kugelman y Chin,
1971; Hawkes et al. 1976). No obstante este intervalo puede variar dependido
del tipo de residuo a digerir, pues se han llegado a encontrar concentraciones
superiores a los 5000 mg/l en digestores que funcionan cuando se alimenta
estiércol de gallina.
d) Potencial redox
La medida del potencial redox de un sistema anaerobio es un buen indicador
para el control del buen funcionamiento del proceso, por lo que es una medida
del grado de anaerobiosis del medio.
9
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
Conviene mantener el valor del potencial redox por debajo de -300mV o -330
mV para asegurar el ambiente fuertemente reductor que las bacterias
metanogénicas necesitan para desarrollar una óptima actividad. Por lo que es
aconsejable que el digestor no reciba sustancias oxidantes y evitar la entrada
de aire en la cámara de digestión.
e) Nutrientes
Una de las ventajas de los procesos de digestión anaerobia, frente a los
procesos aerobios, es su baja necesidad de nutrientes derivada de los bajos
índices de producción de biomasa que presentan los microorganismos
anaerobios. Los principales nutrientes necesarios para el crecimiento de los
microorganismos son el carbono, el nitrógeno y el fósforo, y una serie de
elementos minerales como S, K, Na, Ca, Mg y Fe que deben de estar
presentes a nivel de trazas. Diversos autores han estudiado la relación
necesaria entre los nutrientes mayoritarios considerando una relación C/N entre
15-30/1 y C/P de 75-113/1.
La siguiente tabla refleja el contenido en C/N para diversos sustratos.
Tabla 2.5. Relación C/N para diversos sustratos.
Material
Relación C/N
Lodo de aguas residuales
13/1
Serrín
200 - 500/1
Paja de trigo
Algas
Abono de gallinas
Abono de caballo
Abono de vaca
Suero de leche
Verduras no leguminosas
Alfalfa
Bagazo
Hierba cortada
Sangre
150 - 200/1
80/1
8-36/1
33/1
18/1
30 - 40/1
11 - 19/1
18/1
150/1
12/1
3 - 4/1
f) Inhibidores
El proceso de digestión anaerobia es inhibido por la presencia de tóxicos en el
sistema. Estas sustancias pueden ser subproductos de la actividad metabólica
de los microorganismos anaerobios o pueden formar parte del influente.
Experimentalmente se ha comprobado que la magnitud del efecto tóxico de una
sustancia puede ser reducido significativamente, por aclimatación de la
10
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
población de microorganismos al tóxico. Por otra parte, muchas de estas
sustancias a bajas concentraciones pueden ser estimuladoras del proceso.
Hidrógeno
El hidrógeno es también un compuesto intermedio importante en el proceso
anaerobio. Su acumulación en el medio, provoca la inhibición de la
acetogénesis y a consecuencia la acumulación de ácidos grasos volátiles
con más de dos átomos de carbono.
Nitrógeno amoniacal
Durante el proceso anaerobio, el nitrógeno orgánico es hidrolizado dando
lugar a formas amoniacales. Aunque el nitrógeno amoniacal es un nutriente
importante para el crecimiento bacteriano, una concentración excesiva
puede limitar su crecimiento.
El nitrógeno amoniacal es la suma del ión amonio (NH4+) y del amoníaco
(NH3). Ambas especies se encuentran en equilibrio químico, y la
concentración relativa de cada una depende del pH, tal y como indica la
ecuación de equilibrio:
NH4+ ↔ NH3 + H+
De las dos especies, la que parece inhibir el proceso es el amoníaco libre
ya que se ha comprobado que el efecto inhibidor por amonio aumenta a pH
alcalinos. Además del pH, la cantidad de amoníaco libre depende de la
concentración del sustrato, de la relación C/N, de la capacidad
tamponadora del medio y de la temperatura de digestión. Obviamente,
aquellos residuos que contengan mayores proporciones de proteínas u
otros compuestos nitrogenados son los que presentan más problemas de
inhibición por amonio.
Oxígeno
Al tratarse de un proceso en el que intervienen microorganismos
estrictamente anaerobios, el oxígeno resulta inhibidor del proceso aunque
se encuentre a concentraciones bajas.
Sulfatos
La presencia de elevadas concentraciones de sulfato en el sustrato puede
provocar la inhibición del proceso anaerobio, especialmente de la
metanogénesis. En presencia de sulfatos, las bacterias metanogénicas
compiten con las sulfato-reductoras por los mismos sustratos (acetato e
hidrógeno), mostrando éstas últimas ventajas termodinámicas y cinéticas
sobre las primeras. El resultado de esta competición determinará la
proporción de sulfhídrico y metano en el biogás producido.
11
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
El sulfuro es también un inhibidor para muchos grupos bacterianos. En
general, los metanogénicos son más sensibles que los acidogénicos y
acetogénicos, comenzando a ser tóxica una concentración de 50 mg/l si los
microorganismos metanogénicos no están aclimatados a los sulfuros.
Parece que la forma tóxica es la no ionizada, por lo que la inhibición se
favorece a pH bajos y a bajas temperaturas.
Por tanto, la inhibición tiene dos etapas, la primera debida a la competición
por el sustrato entre los microorganismos metanogénicos y sulfatoreductores y la segunda es una inhibición directa del crecimiento
metanogénico por la presencia de sulfuros solubles.
Cationes y metales pesados
Los cationes de metales alcalinos y alcalino-térreos estimulan la actividad
de las bacterias a bajas concentraciones. A partir de cierto nivel de
concentración, pueden ocasionar toxicidad provocando una disminución de
la velocidad de crecimiento.
La toxicidad de los cationes aumenta con el peso molecular, por lo que los
metales pesados provocan toxicidad a menor concentración. El orden de
toxicidad de los metales pesados es:
Ni> Cu>>Cr (IV) ≈ Cr (III) > Pb > Zn
Los niveles de inhibición varían en función de varios factores. Si la
introducción del catión en el reactor se produce de forma gradual (Tabla 1),
los microorganismos pueden aclimatarse y el efecto tóxico es menor.
Cuando se presentan combinaciones de estos cationes, el efecto producido
es más complejo. Algunos actúan antagónicamente, reduciendo la
toxicidad, y otros actúan sinérgicamente aumentándola.
Tabla 2.6. Concentración de inhibición y toxicidad de metales pesados.
Metal
Cr (III)
Cr (VI)
Cu
Ni
Cd
Pb
Zn
Alimentación gradual
Concentración de
Límite de toxicidad
inhibición* (mg/l)
(mg/l)
130
260
110
420
40
70
10
30
>20
340
>340
400
600
Alimentación brusca
Límite de toxicidad
(mg/l)
<200
<180
<50
<30
>10
>250
<1700
* Inicio de la disminución de la producción de gas
Otros cationes como el calcio, el sodio, el potasio, etc., pueden resultar
inhibidores para el proceso anaerobio, a concentraciones altas (Kugelman
y Chin, 1971). La concentración de inhibición por cationes depende de la
12
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
presencia de posibles antagonistas tal como se muestra en la tabla 2.7. Por
ejemplo el potasio es antagonista del sodio, del magnesio y del calcio.
Tabla 2.7. Concentración límite de cationes en sistemas anaerobios (Kugelman y
chin, 1971)
Alimentación sencilla
Alimentación continua
Catión
Catión
En presencia de
Catión
En presencia de
simple
antagónicos (M)
simple (M)
antagónicos (M)
(M)
Sodio
0,2
0,3 – 0,35
0,3
70,35
Potasio
0,09
0,15 – 0,2
0,13
0,35
Calcio
0,07
0,125 – 0,15
0,15
0,2
Magnesio
0,05
0,125
0,065
0,14
Factores operacionales
a) Agitación:
La experiencia ha demostrado que una adecuada mezcla del contenido del
digestor, es esencial y persigue los siguientes objetivos:
Poner en contacto el sustrato fresco con la población bacteriana y eliminar
los metabolitos producidos por las bacterias metanogénicas.
Proporcionar una densidad uniforme de la población bacteriana.
Prevenir la formación de espumas y la sedimentación en el reactor.
Prevenir la formación de espacios muertos que reduzcan el volumen
efectivo del reactor.
Eliminar la estratificación térmica, manteniendo una temperatura uniforme
en todo el reactor.
La agitación puede ser de varios tipos, mecánica, hidráulica o neumática. Para
grandes tamaños de reactor parece que la agitación por gas es la que mayores
ventajas presenta, tanto por el efecto de agitación, como por su sencillez de
diseño y operación.
La velocidad de agitación es un parámetro que puede influir en el desarrollo del
proceso, deberá ser la adecuada para asegurar el equilibrio entre una buena
homogeneización y la correcta formación de agregados bacterianos (Fannin,
1987). Una velocidad de agitación alta, por encima de las 700 r.p.m., puede
disminuir ligeramente la producción de biogás, por ruptura de agregados
bacterianos.
13
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
b) Tiempo de retención hidráulico y velocidad de carga orgánica
Tanto el tiempo de retención hidráulica (TRH) como la velocidad de carga
orgánica, definida por el tipo de sustrato, son dos parámetros de diseño
fundamentales a la hora de definir el volumen del digestor.
En sistemas de mezcla compacta, el tiempo de retención hidráulico coincide
con el celular, por lo que tiempo de retención deberá ser suficientemente
amplio para asegurar el crecimiento bacteriano. Si aumentamos el TRH se
producirá un aumento en el grado de degradación experimentado por la
materia orgánica, así como la producción de metano, aunque este último valor
comenzará a disminuir una vez alcanzado el óptimo.
El tiempo de retención habitual para el rango mesófilo está entre 15 y 20 días,
aunque dicho valor varía en función del reactor empleado.
La velocidad de carga orgánica (VCO) es la cantidad de materia orgánica
introducida diariamente en el reactor por unidad de volumen, siendo
directamente dependiente de la concentración de sustrato y del tiempo de
retención fijado. En ausencia de inhibidores y con altas cargas orgánicas se
logran altas producciones volumétricas de biogás, aunque también aumenta el
riesgo por sobrecargas que conlleven la acidificación del reactor (exceso de
ácidos grasos volátiles).
2.2.4. Tipología de procesos.
El proceso de digestión anaerobia se lleva a cabo en reactores totalmente
cerrados, los fangos pueden introducirse en el reactor de forma continua o
intermitente, permaneciendo en su interior durante períodos de tiempo
variables. La extracción de fango del reactor también puede realizarse de forma
continua o intermitente. Los cuatro sistemas de digestión anaerobia que se han
desarrollado son:
a) Baja carga
Es el proceso más simple y antiguo de todos los procesos de digestión y está
caracterizado por:
Se alimenta de forma intermitente.
No incluye equipos de mezcla, la agitación y mezcla del fango la realizan
las burbujas de biogás al ascender a la superficie.
Generalmente, no cuenta con equipos de calentamiento.
Se produce una estratificación en el interior del digestor lo que supone que
el proceso de digestión anaerobia solo se produzca en una pequeña parte
14
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
del volumen de fango. Por lo que se necesitarán altos tiempos de retención
para conseguir una buena estabilización (30 – 60 días).
El sobrenadante y el fango digerido se extraen periódicamente.
La carga de sólidos oscila entre 0,4 y 1,6 Kg SV/m3/día.
Como las condiciones a las que se realiza el proceso no son controladas,
generalmente es inestable e ineficaz y suele emplearse únicamente como
tanque de almacenamiento (digestor secundario) o espesador en un proceso
de alta carga.
Figura 2.3. Reactor de baja carga.
b) Alta carga
Este sistema empezó a desarrollarse debido a que las experimentaciones
llevadas a cabo demostraran que el calentamiento, la mezcla, el espesamiento
del fango y la alimentación uniforme favorecían el proceso de digestión.
Las características de este sistema son las siguientes:
Se alimenta de forma uniforme.
Dispone de equipos de mezcla en el interior del digestor.
Se dispone de equipos de calentamiento del fango, previamente a la
entrada del mismo en el digestor.
Se realiza un espesamiento del fango anterior a la digestión.
El tiempo de retención del fango en el digestor es de un mínimo de 15 días.
El sobrenadante y el fango digerido se extraen de forma continua.
La carga de sólidos está comprendida entre 1,6 y 8 Kg SV/ m 3/día
Como consecuencia de las mejoras llevadas a cabo con respecto al sistema de
Baja Carga, el volumen del digestor se reduce y el proceso tiene lugar con
mayor estabilidad.
15
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
Figura 2.4. Reactor de alta carga de etapa única.
Este tipo de digestores operan tanto en rango de temperatura mesófilo como
termófilo. Generalmente, un digestor de Alta Carga está unido en serie a un
segundo digestor, que presenta un diseño similar al primario, pero sin equipo
de calentamiento ni mezcla. Cuya principal misión es concentrar el fango
digerido y eliminar el líquido sobrenadante, con lo que disminuimos el volumen
de fango enviado a los siguientes procesos de tratamiento. La reducción de
sólidos y la formación de gas en este segundo digestor son prácticamente
despreciables. El esquema de funcionamiento es el siguiente:
Figura 2.5. Reactor de alta carga de doble etapa.
16
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
c) Contacto anaeróbico
Es un sistema equivalente al proceso de mezcla completa de fangos activados,
diferenciándose en que el fango es extraído del digestor, es sometido a un
proceso de decantación, y tras este proceso el líquido clarificado es devuelto a
la cabecera de la planta de tratamiento de aguas residuales, se recircula de
nuevo al digestor y se mezcla con el fango fresco que entra, según el siguiente
esquema de funcionamiento:
Figura 2.6. Contacto anaeróbico.
Este sistema permite la reducción del tiempo de retención con lo que se logra
también una disminución en el volumen del digestor.
El proceso de separación sólido – liquido presenta serios problemas debido a
las características de este tipo de fangos y el continuo desprendimiento de
burbujas de gas, debiéndose recurrir previamente a sistemas de
desgasificación.
Este sistema se utiliza, sobre todo, para estabilizar fangos con una alta
solubilidad, por lo que se emplea, principalmente, en instalaciones industriales
y rara vez, en aguas residuales urbanas.
d) Separación de fases
Se diferencia de los anteriores sistemas, en los que las diferentes fases de la
digestión se llevan a cabo en una única unidad, en que el proceso de digestión
es realizado en dos tanques. En el primero se dan las fases de hidrólisis,
acidogénesis y acetogénesis y en el segundo la fase de metanogénesis. El
esquema del proceso se recoge en la figura adjunta.
17
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
Figura 2.7. Sistema de separación de fases.
En el primer digestor, como no existen restricciones de pH se producirá una
mayor generación de ácidos grasos volátiles debidos a una degradación
enzimática del fango.
El principal problema de este sistema se presenta es la unidades de separación
sólido-líquido, por lo que se incluyen sistemas de diálisis, adición de productos
químicos, etc.
En la tabla siguiente se recogen los datos de diseño comparándolos con los de
un digestor de alta carga:
Tabla 2.8. Comparación de los parámetros de diseño de un sistema de separación de
fases con uno de alta carga
Temperatura (ºC)
Carga
Kg SV / m3/día
Tiempo retención
(días)
pH
Digestor Ácido
37
Digestor Metanogénico
37
Alta Carga
37
24,7 – 42,8
2,88
3,20
0,5 – 1,2
6,5
20
5,7 – 5,9
7,1
7,1
Como se observa, el digestor ácido presenta un tiempo de retención muy corto
y un pH muy bajo, por lo que la producción de metano, será prácticamente
nula. Tanto el digestor metanogénico con el de alta carga tienen condiciones de
funcionamiento muy similares salvo por el menor tiempo de retención del
primero. Esto es debido a la separación de ambas fases, las cuales trabajan en
un estado casi ideal, lo que realmente no ocurre con el digestor de alta carga.
En la EDAR Novelda – Monforte del Cid el proceso de digestión anaerobia se
realiza según un sistema de alta carga en una sola etapa, lo que supone que le
contenido del interior del reactor es mezclado y calentado completamente.
18
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
2.3. Composición del biogás.
Como se comentó anteriormente el biogás producido por digestión anaerobia
de la materia orgánica es una mezcla de gases compuesta principalmente por
metano y dióxido de carbono, con pequeñas cantidades de hidrógeno,
nitrógeno, sulfuro de hidrógeno, oxígeno, monóxido de carbono y amoniaco. El
biogás es incoloro, inflamable y quema con una llama de color azul.
Buswell y Boyle desarrollaron una fórmula científica describiendo la
composición del biogás producido en función de la composición química del
sustrato inicial de entrada al proceso de digestión.
(
(
)
(
)
)
En las siguientes tablas se muestran valores medios de composición del biogás
y de la producción del mismo, en función del substrato empleado.
Tabla 2.9. Composición del biogás en función del substrato utilizado (Coombs, 1990)
Compuesto
Metano
Dióxido de carbono
Agua
Hidrógeno
Sulfuro de hidrógeno
Amoníaco
Monóxido de carbono
Nitrógeno
Oxígeno
Compuesto orgánicos
* Esteres, terpenos...
Residuos
agrícolas
50 – 80%
30 – 50%
Saturado
0 – 2%
100 – 700 ppm
Trazas
0 – 1%
0 – 1%
0 – 1%
Trazas
Lodos de
depuradora
50 – 80%
20 – 50%
Saturado
0 – 5%
0 – 1%
Trazas
0 – 1%
0 – 3%
0 – 1%
Trazas
Residuos
industriales
50 – 70%
30 – 50%
Saturado
0 – 2%
0 – 8%
Trazas
0 – 1%
0 – 1%
0 – 1%
Trazas
Gas de
vertedero
45 – 65%
34 – 55%
Saturado
0 – 1%
0,5 – 100 ppm
Trazas
Trazas
0 – 20%
0 – 5%
5 ppm *
Tabla 2.10. Producción de biogás en función del substrato utilizado (Coombs, 1990)
Tipo de residuo
Purines de cerdo
Fangos residuales
Contenido orgánico
Hidratos de carbono,
lípidos y proteínas
Hidratos de carbono,
lípidos y proteínas
Hidratos de carbono,
lípidos y proteínas
Hidratos de carbono,
lípidos y proteínas
Sólidos volátiles
(%)
3-5
Producción de biogás
(m3/Tm)
10 - 20
3-4
17 - 22
15 - 20
85 - 110
20 - 30
150 - 240
Fangos residuales
concentrados
*FORSU separada
en origen
* Fracción orgánica del residuo sólido urbano
19
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
Debido a su alto contenido en metano, el biogás tiene un poder calorífico algo
mayor que la mitad del poder calorífico del gas natural, por lo que es
susceptible de un aprovechamiento energético mediante su combustión en
motores, en turbinas o en calderas, bien sólo o mezclado con otro combustible.
Para una riqueza en metano del 70 % el poder calorífico es de 6.000 kcal/m 3 lo
que equivaldría a unos 7 kWh
2.4. La estación de aguas residuales Novelda – Monforte del Cid.
2.4.1. Generalidades.
La estación de aguas residuales de Novelda - Monforte del Cid se encarga de
la depuración de las aguas residuales que provienen de ambos municipios, los
cuales se sitúan en el medio Vinalopó. Los objetivos principales de la planta
son por un lado la depuración de las aguas residuales para devolverlas al río
Vinalopó con la mayor calidad posible dentro de los límites que establece la
directiva 91/271/CEE, de 21 de mayo de 1991 sobre el tratamiento de las
aguas residuales urbanas y por otro lado el tratamiento de los fangos
producidos durante el proceso de depuración del agua residual, para obtener
finalmente un producto que cumpla con las condiciones exigidas por el RD
1310/1990, de 29 de octubre, por el que se regulan la utilización de lodos de
depuración en el sector agrario.
La explotación de la planta corresponde a la Entidad Pública de Saneamiento
de Aguas Residuales de la Comunidad Valenciana (EPSAR), la cual ha
designado como empresa explotadora a la UTE SAV – DAM.
La planta depuradora de aguas residuales de Novelda – Monforte del Cid está
diseñada para tratar un caudal de 9.000 m 3/día sirviendo a una población
equivalente de 88.500 habitantes, permite la reutilización de las aguas
residuales para riego con un caudal 3,3 hm3 / año.
Las aguas residuales brutas procedentes de los municipios son conducidas a la
planta depuradora mediante dos colectores situados en dichas localidades
(figura 2.8.).
20
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
Figura 2.8. Plano de situación de los colectores
El colector de Novelda cruza el río Vinalopó y discurre paralelo a este con una
pendiente de 0,5 %. La longitud total del mismo es 3.602 m.
El colector de Monforte del Cid está proyectado en dos tramos, el primer tramo
con una longitud 1.211 m y pendiente de 0,1 % y el segundo tramo de longitud
559 m y pendiente de 0,5 %.
La incorporación del colector de Novelda se lleva a acabo a 1.530 m del
comienzo del colector de Monforte. Desde el punto de unión de ambos
colectores continúa el de Monforte del Cid hasta alcanzar la zona de
emplazamiento de la EDAR, justo aguas arriba de la confluencia entre el río
Vinalopó y la rambla de Orito.
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Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
Para la descripción de la EDAR distinguiremos entre dos líneas de tratamiento,
la línea de agua y la línea de fango. Como podemos ver a continuación en el
esquema de procesos de la EDAR Novelda – Monforte del Cid.
LÍNEA DE AGUA
TRATAMIENTO SECUNDARIO
PRETRATAMIENTO
Reactores
Biológicos
Reactores
Biológicos
Decantadores
TRATAMIENTO TERCIARIO
Filtros
Ultravioletas
de arena
Decantadores
INFLUENTE
EFLUENTE
Espesador
Flotador
Cámara
de mixtos
Digestor
piloto
Tolva
Deshidratación
Depósito
Tampón
Digestor
anaerobio
Gasómetro
FANGOS
LÍNEA DE FANGO
Figura 2.9. Esquema de procesos EDAR Novelda - Monforte del Cid
2.4.2. Línea de agua.
En la línea de agua, la planta cuenta con un pretratamiento convencional, como
tratamiento secundario un proceso biológico aerobio de fangos activados de
doble etapa y un tratamiento terciario.
2.4.2.1. Pretratamiento.
Con el pretratamiento eliminamos los sólidos de gran tamaño, para así poder
evitar posibles problemas en posteriores fases del tratamiento. Las operaciones
realizadas en la planta para el caso del pretratamiento son el desbaste,
desarenado y desengrasado.
Pozo de gruesos
El pozo de gruesos está equipado con una cuchara bivalva de 300 l de
capacidad y una reja de predesbaste de limpieza manual. También dispone de
una cubierta retráctil y de un aliviadero.
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Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
Desbaste
El desbaste consiste en separar del agua residual los sólidos de gran tamaño
(trapos, maderas, plásticos…) que producirían graves alteraciones en el normal
funcionamiento de la planta. De esta forma, se pretende proteger a la EDAR de
objetos que puedan obstruir el paso del agua en una de las unidades de la
instalación y además separar y evacuar las materias de gran volumen que
pueden disminuir la eficacia de los tratamientos que se realizan posteriormente.
Las rejas pueden ser de limpieza mecánica o manual según su mecanismo de
limpieza. Para el caso de esta depuradora, las rejas de desbaste son
automáticas.
Las rejas de limpieza mecánica, eliminan los problemas de atascos y reducen
el tiempo necesario para su mantenimiento. El mecanismo más utilizado es el
de peine móvil, que barre la reja y extrae los sólidos que han quedado
retenidos en ella.
La planta tiene instalados tres canales de desbaste, uno de los cuáles es un
bypass. Los dos canales que están en servicio disponen de una reja de
limpieza automática de 50 mm de luz y un tamiz autolimpiante de 3 mm de luz.
Ambos son gestionados por sensores ultrasónicos en los canales. En cambio,
el bypass dispone de dos rejas manuales de distinta luz, una de 50 mm y otra
de 10 mm.
Estos canales poseen unas compuertas motorizadas que abren o cierran el
canal para así poder utilizar un canal o dos en función del caudal de entrada a
la planta.
Los residuos que quedan en las rejas y tamices se transportan mediante
tornillos transportadores-compactadores hacia dos contenedores, que
posteriormente se llevan a un vertedero.
Desarenado y desengrasado
El agua procedente de los canales de desbaste llega a dos desarenadores desengrasadores, que también pueden ser aislados mediante compuertas
motorizadas de la misma forma que sucede con los canales anteriores.
Con este tratamiento se persigue la eliminación de las materias pesadas con
granulometría superior a 200 micras. De esta forma se pretende evitar la
producción de sedimentos en los canales y conducciones, protegiendo de esta
manera las bombas y otra serie de aparatos de la abrasión, así como evitar las
sobrecargas en las fases de tratamiento siguientes. En esta fase del
tratamiento se eliminan tanto arenas como gravas y elementos de origen
orgánico no putrescible.
23
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
La agitación y pre-aireación de los desarenadores se realiza por difusores de
burbuja gruesa, que son alimentados por unas soplantes de émbolo rotativo
trilobular.
La extracción de las arenas que quedan en el fondo del desarenador es
realizada por dos bombas que se encuentran sobre el puente del desarenador,
y las grasas se recogen a su vez con unas rasquetas, de las que también
dispone dicho puente, y van a parar a la zona de recogida de grasas.
Las arenas que se extraen se envían a un concentrador-lavador de arenas de
tipo tornillo sin fin y las grasas se concentran en el concentrador de grasas.
Ambos recogidos son almacenados en contenedores diferentes para su
posterior tratamiento.
Para la regulación de caudales a tratamiento biológico se cuenta con una
compuerta motorizada que está controlada mediante un caudalímetro
electromagnético en tubería. El alivio del agua se realiza a través de vertedero
recto, medido a través de un medidor de nivel por ultrasonidos.
2.4.2.2. Tratamiento secundario o biológico.
En esta planta el tratamiento biológico consta de dos líneas de tratamiento
biológico de doble etapa: la etapa A y la etapa B. Este sistema ofrece ventajas
para el tratamiento de aguas residuales con fuertes variaciones de la carga
contaminante, pH o de componentes tóxicos, y mejora la operatividad de la
planta. El influente recibido en nuestra planta tiene una elevada carga, debido a
que la zona tiene una alta densidad de industria dedicada al mármol.
Primera etapa (A):
Esta etapa posee dos reactores rectangulares de alta carga, con sus difusores
de burbuja fina que suministran aire a través de las soplantes de émbolos
rotativos. Dos alimentan a cada uno de los reactores y la tercera es de reserva.
A continuación el agua pasa a los dos decantadores circulares (decantadores
de la etapa A). Cada uno de ellos dispone de vertederos triangulares
perimetrales, deflectores para los vertederos y puente radial de tracción
perimetral. Los fangos biológicos decantados en esta fase son tamizados en un
tamiz rotativo y posteriormente se recirculan a los reactores biológicos de la
etapa A por medio de bombas centrífugas sumergibles y dotadas de variador
de frecuencia.
Los residuos atrapados por el tamiz son transportados mediante un tornillo
trasportador - compactador hasta un contenedor. Por otro lado, otras bombas
centrífugas sumergibles extraen los fangos biológicos en exceso.
24
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
Segunda etapa (B):
La etapa B incluye dos reactores rectangulares de media carga, divididos en
dos zonas una anóxica y otra óxica de esta forma se favorece el proceso de
desnitrificación, consistente en la eliminación del amoníaco producido en la
reacción que ocurre en los sistemas aerobios de eliminación de materia
orgánica. Las reacciones que tienen lugar en estos procesos son las
siguientes:

El proceso de Nitrificación tiene varias etapas:
1. En la primera etapa el ión amonio (NH4+) es oxidado a nitrito en
presencia de bacterias Amonooxidantes y Nitrosomas.
NH4+ + 1,5 O2 ↔ NO2- + H2O + 2H+
2. En la segunda etapa el ión nitrito es oxidado a nitrato en presencia de
bacterias Nitritooxidantes y Nitrobacter.
NO2- + 0,5 O2 ↔ NO33. También puede darse la suma de las dos etapas, combinándose ambas
bacterias.
NH4+ + 2 O2 ↔ 2 NO3- + H2O + 2H+

En el proceso de Desnitrificación el ión nitrato es reducido a nitrógeno gas.
NO3- + 5H+ ↔ 0,5 N2 + 2H2O + OH-
En cada zona anóxica podemos encontrar un agitador sumergible y en cada
zona óxica disponemos de dos parrillas de difusores de burbuja fina. De la
misma manera que en la etapa anterior, el aire es suministrado por soplantes
de émbolos rotativos. Mediante una bomba sumergible de hélice se realiza una
recirculación de los fangos.
Posteriormente, el agua de salida de ambos reactores es conducida hasta dos
decantadores secundarios circulares, dotados con vertederos triangulares
perimetrales, deflector para los vertederos y de un puente radial de tracción
perimetral. La extracción de flotantes se realiza con bombas.
Al igual que en la etapa A, en la etapa B, los fangos biológicos decantados se
recirculan a los reactores biológicos y los fangos biológicos en exceso se
extraen.
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Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
2.4.2.3. Tratamiento terciario.
La planta posee una línea de tratamiento terciario que permite la reutilización
de las aguas, que provienen de la línea de aguas de la planta, como agua de
riego.
Básicamente consiste en un sistema de filtración en arena con limpieza de ésta
en continuo. Seguidamente, el agua pasa a un sistema de desinfección por
medio de radiación en ultravioleta (UV).
A continuación explicaremos el sistema entero:
Depósito de laminación y bombeo a tratamiento terciario
El agua procedente de los decantadores secundarios es conducida hasta el
depósito de laminación de doble cámara. Desde esa cámara el agua es
impulsada hacia los filtros de arena.
Filtros de arena
En nuestra planta existen seis filtros de arena Omega - filter, autolimpiantes. El
agua atraviesa el lecho de arena de abajo a arriba, dejando atrás las impurezas
que posee. La arena debe ser lavada para eliminar los sólidos que han sido
depositados en ella. Para ello disponemos de una bomba de aire tipo “air lift”
situada en la parte final de cada filtro. Ésta eleva en continuo la arena sucia
desde abajo y hacia arriba del filtro, donde se encuentra un lavadero especial
que efectúa la separación de la arena y la suciedad mediante un lavado a
contracorriente.
Una vez filtrada, el agua utilizada para el lavado de la arena se descarga o se
recircula al pretratamiento, mientras que la arena limpia cae al lecho de que
provenía.
Desinfección UV
Una vez filtrada el agua deberemos someterla a un proceso de desinfección, en
este caso se trata de un sistema de desinfección por rayos ultravioleta en
tubería. Este equipo posee limpieza automática de las lámparas y una limpieza
química. Su función es la desinfección del agua residual siguiendo una
regulación de la dosis aplicada en función del caudal de agua que atraviesa el
equipo.
Almacenamiento y salida del agua tratada
Una vez tratada, el agua es almacenada en una balsa cuyo llenado se realiza
a través de una tubería de fundición dúctil. La balsa posee un aliviadero
superior a la cota de máximo llenado. En caso de sobrepasarse el nivel
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Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
máximo, el agua sería conducida a través de una tubería de fundición a una
arqueta de hormigón armado anexa al depósito de laminación.
Por otra parte, para el vaciado de la balsa en régimen normal de
funcionamiento existe un desagüe de fondo con dos funciones. Una de ellas es
responder a la demanda máxima fijada de agua tratada para el turno de
máximas necesidades y a las tareas de limpieza de los lodos depositados en el
fondo. Este desagüe vierte directamente al río.
2.4.3. Línea de fangos
A continuación se va a describir la línea de fangos. Los fangos que proceden
del tratamiento primario son los denominados fangos primarios, los
procedentes del tratamiento secundario son los fangos secundarios o
biológicos. Y la mezcla de ambos previamente a ser tratados son los fangos
mixtos.
Las operaciones y procesos de la línea de fangos tienen como objetivos
principales:

Reducir el volumen, para así minorar el tamaño de las instalaciones y
unidades de proceso.
 Estabilizar los fangos, con lo que evitaremos problemas de fermentación
y putrefacción.
 Conseguir una textura adecuada, para que los fangos sean manejables
y transportables.
Espesamiento
Con el espesamiento lo que buscamos es conseguir un incremento de la
concentración de los fangos, esto se logra mediante la eliminación del agua
contenida en estos, mediante esta reducción de volumen de los mismos
mejoraremos el rendimiento de los procesos posteriores. Este espesamiento
puede ser por gravedad o por flotación. En nuestra planta de tratamiento
encontramos ambos, cada uno para un tipo de fango. Para los fangos primarios
se emplea el espesador por gravedad y para fangos secundarios el espesador
por flotación.
Los fangos de la primera etapa son tamizados previamente a su llegada al
espesador por gravedad, los residuos de este tratamiento será transportados a
un contenedor mediante un tornillo transportador – compactador.
El espesador por gravedad (Figura 2.10.) tiene forma circular y está equipado
con un puente de arrastre para espesamiento con pasarela en hormigón y
cubierta de poliéster.
27
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
Figura 2.10. Sección transversal de un espesador de gravedad circular (Metcalf &
Eddy, 1996).
El espesador por flotación (Figura 2.11.), es del tipo de flotación por aire
disuelto. El aire se libera en forma de micro-burbujas y al ascender estas
atrapan los sólidos elevándolos hacia la superficie, donde se produce el
espesamiento y el barrido de los fangos.
Figura 2.11. Sección transversal de un espesador de flotación circular (Metcalf &
Eddy, 1996).
Una vez espesados ambos fangos, son mezclados en un depósito en el que se
homogenizan que recibe el nombre de cámara de mixtos. Los fangos mixtos
serán bombeados a la etapa de digestión mediante bombas de tornillo
helicoidal.
Digestión anaerobia
El principal objetivo de la estabilización de fangos mediante digestión anaerobia
es reducir el contenido de materia volátil con la finalidad de obtener un residuo
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Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
menos putrescible y más estable. Por lo que mediante este proceso
eliminaremos una gran parte de la materia orgánica.
El proceso empleado en esta depuradora es la digestión anaerobia mesófila
(35ºC), en la que la materia orgánica es convertida, en ausencia de oxígeno, en
metano, dióxido de carbono y otros gases, entre los que encontramos ácido
sulfhídrico. Este último puede dañar conducciones y accesorios por corrosión,
por lo que es necesario añadir cloruro férrico, este añade mediante bombas
dosificadoras.
Los fangos mixtos espesados son transportados al digestor, con un tiempo de
retención superior a 21 días. Éste dispone de un sistema de agitación
hidráulica, Rotamix, que consta de una bomba de impulsión y tres boquillas
dobles instaladas en el interior del digestor. De esta forma se garantiza el
movimiento de los fangos tanto tangencialmente en las paredes como
helicoidalmente en el centro del mismo. Así, se obtiene un buen mezclado de
los fangos en el interior del digestor, evitando de esta forma la posible
formación de costras.
Para calentar los fangos, se emplea un sistema de calefacción que consta de
una caldera y quemador de combustión gasóleo – biogás, un descalcificador,
un intercambiador de calor en forma de espiral y una serie de bombas
encargadas de la circulación del agua. Otra forma de calentar el fango es
mediante el sistema de cogeneración, es decir, se quema el biogás para
generar electricidad y con los gases de escape del motor, se calienta agua y
mediante un intercambiador de calor se calientan los fangos del digestor.
Deshidratación
Después de someter los fangos a un proceso de digestión anaerobia, los
fangos digeridos son dirigidos a un depósito tampón, de donde posteriormente
son enviados a deshidratación mediante bombas de tornillo helicoidal.
La deshidratación es una operación física unitaria que consiste en la reducción
del contenido de humedad del fango, para transformarlo en un sólido que sea
fácilmente transportable y manejable. En la EDAR Novelda – Monforte del Cid
para llevar a cabo dicho proceso se emplea como sistema de deshidratación
mecánico las centrífugas (figura). Se emplean dos centrífugas, una de ellas en
reserva, para obtener mayores rendimientos se adiciona una disolución de
polielectrolito, la cual se prepara en un equipo automático compuesto de tres
cámaras (dilución, maduración y almacenamiento).
29
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
Figura 2.12. Esquema de centrífuga para deshidratación de fangos (Hernández
Lehmann, A.,1997).
Una vez deshidratados, los fangos son descargados directamente sobre una
bomba de tornillo helicoidal que los impulsa hasta una tolva donde son
almacenados. La disposición final del fango es su utilización como compost tras
su adecuación para ello en una planta dedicada al compostaje.
Cogeneración:
El biogás generado durante el proceso de digestión anaerobia es almacenado
en el interior de un gasómetro de membrana. Este biogás se aprovecha de
forma energética en un motor Guascor. También es posible la utilización de
este biogás como fuente energética para la caldera utilizada en la calefacción
de fangos. El biogás en exceso es quemado en una antorcha de llama.
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Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
3. OBJETO Y ALCANCE DEL TRABAJO.
Este proyecto surge del interés de la empresa DAM S.L., en concreto en las
instalaciones de la EDAR Novelda – Monforte del Cid, de experimentar con su
propio sistema de digestión de fangos para mejorar el rendimiento global del
sistema.
El equilibrio de un sistema de estas características es delicado y se
desequilibra con facilidad debido a que estamos ante un proceso biológico
bastante complejo, por lo que la experimentación directa sobre el sistema
conlleva un riesgo no asumible. Esto justifica la necesidad de que se haya
creado un sistema análogo al anterior y a pequeña escala, o sea una planta
piloto, en el que llevar a cabo esta experimentación sin arriesgar el correcto
funcionamiento del proceso de estabilización de fangos de la planta.
Este proyecto se dividió en dos fases distintas por lo que persigue dos objetivos
bien diferenciados.
El primer objetivo planteado por el presente estudio es la puesta en marcha del
digestor anaerobio piloto. Para ello se busca que digestor piloto trabaje con los
mismos parámetros que el digestor anaerobio de planta, logrando que el
proceso de digestión se estabilice.
Conseguida la estabilidad del proceso, el siguiente objetivo del trabajo es
estudiar los efectos del pH extremo sobre el proceso de digestión anaerobia
urbana. Para ello se añadirá como aditivo hidróxido de sodio al proceso,
variando las dosis de menor a mayor cantidad. Esto es así porque se pretende
que la biomasa contenida en el digestor, se aclimate a las nuevas condiciones
de incremento de pH. Entre los parámetros analizados se investigarán la
producción y calidad del biogás obtenido.
Se realizará mediante el análisis de la información y de los resultados obtenido
en las dos fases de la investigación.
Para la consecución de los objetivos especificados anteriormente, el alumno ha
llevado a cabo las actividades que se describirán en los sucesivos apartados,
durante el período que va desde el 10 de junio al 14 de agosto, en horario de
mañana, de 8:30 a 13:30, abarcando un total de 240 horas.
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Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
4. DESCRIPCIÓN DEL DIGESTOR PILOTO.
4.1. Descripción del sistema.
El sistema de funcionamiento del digestor anaerobio piloto puede dividirse en
tres partes que son:
 Línea de fangos.
 Línea de gases.
 Sistema de control.
A continuación realizaremos una descripción detallada del sistema. Hay que
tener en cuenta que en su mayor parte, los equipos dispuestos en el digestor
piloto han sido reutilizados de equipos disponibles en la planta, con lo que se
ha logrado un ahorro en costes.
4.1.1. Línea de fangos.
La línea de fangos está compuesta por el sistema de alimentación, el digestor,
los diferentes sensores y las conducciones que conectan los diferentes
equipos. A continuación se detalla una descripción de cada equipo que lo
compone.
a) Sistema de alimentación
La alimentación al digestor piloto puede hacerse por dos sistemas, por un lado
alimentación directa desde el digestor de planta y por otro lado alimentación
por un depósito anexo al digestor piloto.
Alimentación desde el digestor de planta.
Inicialmente durante la puesta en marcha del digestor piloto, se realizó la
inoculación de fangos al mismo, procedentes del interior del digestor de la
planta. Esto ha permitido la inoculación de fangos con una edad adecuada, sin
ser necesaria una maduración previa de estos, lo que ha supuesto un ahorro
en tiempo y esfuerzos, pudiendo disponer de los fangos adecuados para el
digestor piloto.
Esta vía de alimentación cuenta con una bomba encargada de impulsar los
fangos desde el digestor de planta hasta el digestor piloto y una conducción
flexible. Dicha instalación es desmontable ya que una vez arrancado el digestor
piloto no es necesario su alimentación con fangos del digestor de planta.
Alimentación desde depósito anexo.
El depósito de alimentación se sitúa antes de la bomba de alimentación y
permite la inyección de los fangos y los aditivos necesarios al digestor piloto.
Fabricado en un material plástico, tiene una capacidad de 120 litros y está
aforado cada 10 litros. Para el llenado del depósito se emplean una serie de
bidones los cuales son llenados con fango en el punto de toma del mismo, y
32
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
mediante transvase del volumen contenido en ellos se procede con su llenado.
Para evitar salpicaduras de fango habrá que actuar con la mayor cautela
posible.
Una vez inyectado el volumen adecuado de fango se procederá con el vaciado
y limpieza del depósito. Con la apertura de la llave de paso y por acción de la
gravedad se evacuará a la red el volumen de fango sobrante. El depósito se
encuentra elevado aproximadamente unos 20 cm sobre el suelo, lo que facilita
su vaciado.
Bomba
Para el bombeo de los fangos se emplea una bomba de cavidad progresiva,
compuesta por un rotor de rosca simple que resiste la abrasión y de un estator
con dos entradas de paso largo y gran profundidad. Presenta una geometría
del rotor / estator tipo L, sellando el eje de forma mecánica. El motor de la
bomba es eléctrico, a 220-240 V/50 Hz.
La bomba está conectada a un sensor de nivel de fango en el depósito de
alimentación, evitando de este modo el funcionamiento de la misma en vacío,
lo que ocasionaría graves daños a la misma.
Su puesta en marcha y paro se realiza desde el cuadro eléctrico del sistema de
control, mediante el accionamiento de un botón externo en el armario de
control. Siempre que se conecte esta, se conectará la agitación si es que ésta
no lo estaba.
b) Digestor
El digestor está formado por tres elementos principales, el tanque o depósito, el
sistema de calefacción y el agitador.
Depósito.
El depósito está fabricado en plástico reforzado con fibra de vidrio, con unas
dimensiones aproximadamente de 2 m de altura y 1,6 m de diámetro, lo que
equivale a una capacidad de 4 m3. El depósito cuenta con una tapa
desmontable, que permite la instalación de los equipos en el interior del
digestor, como es el caso del sistema de calefacción y del agitador. Esta tapa
también dispone de una serie de orificios necesarios para la instalación de los
equipos y las conducciones del digestor, como son:





Instalación del dispositivo de agitación.
Instalación del sistema de calefacción con su correspondiente cableado.
Entrada de afluente.
Salida de gas.
Válvula de alivio de presión.
33
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
Además de lo descrito anteriormente el depósito presenta una serie de orificio y
son los siguientes:




Orificio lateral superior, mediante el cual se realiza la alimentación desde el
digestor de planta.
Aberturas laterales empleadas para la instalación de instrumental. Como es
el caso del manómetro situado en el orificio superior y el sensor de
temperatura localizado en la base.
Abertura inferior por la que se realiza la purga de fangos del digestor.
Orificio mediante el cual se puede realizar la limpieza del depósito una vez
vaciado el mismo. A través de esta abertura también se puede acceder al
interior del depósito, para la instalación de los equipos.
Para mantener la temperatura del interior del digestor dentro del rango de
funcionamiento escogido, el depósito se encuentra aislado térmicamente, de
este modo minimizamos en cierta medida la transferencia de calor con el
exterior. El aislante se ha ejecutado en fibra de vidrio y se ha reforzado con una
malla de alambre de torsión doble de 1,5 mm de grosor, la cual prolongará la
vida útil del aislante, previniendo su desprendimiento por acción del viento o la
lluvia.
Sistema de calefacción.
El sistema para calentar los fangos está compuesto por un tubo metálico que
llega hasta el fondo del depósito, y en cuyo interior se aloja una resistencia
monofásica de 3.000 W. Esta se encuentra sumergida en un volumen de aceite
térmico de unos 16 litros aproximadamente, que será calentado por la acción
de la resistencia, lo que suministrará calor al sistema de calefacción. Y por
transferencia de este se realizará el calentamiento del fango contenido en el
digestor.
La resistencia está conectada al sistema de control, el cual regula su
funcionamiento a través de la sonda de temperatura instalada en el digestor.
Además se ha incluido en el sistema de calefacción otra sonda de temperatura
encargada de controlar la temperatura alcanzada en el interior de este.
El sistema de calefacción del digestor mantiene una temperatura constante en
el interior del mismo, con una temperatura de marcha de la calefacción y otra
de paro, ambas configurables con tiempos de respuesta también configurables.
Esta temperatura se consigue conectándose la calefacción solo en los periodos
de arranque de la agitación, con lo que con la agitación en periodo de paro no
permite la conexión del sistema de calefacción, aunque esté por debajo de la
temperatura umbral.
34
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
Este sistema aporta una serie de ventajas con respecto al anterior sistema.
Entre ellas, aumenta la vida útil del mismo evitando la rotura por enredos de
pelos en la superficie de la resistencia, estos proceden del fango del digestor.
También logramos que el sistema sea más accesible a la hora de subsanar
desperfectos y para las operaciones de mantenimiento del mismo. De este
modo evitamos el vaciado del digestor siempre que ejecutemos alguna de las
operaciones citadas anteriormente.
Figura 4.1. Instalación y detalle de la resistencia.
Agitador.
Para lograr una homogenización de los fangos contenidos en el digestor,
recurrimos al empleo de la agitación por medios mecánicos. Para ello
disponemos de un agitador de eje vertical, que posee una hélice de 800 mm de
diámetro de acero inoxidable. El agitador cuenta con un motor eléctrico
conectado a un variador de frecuencia, lo que permite regular el régimen de
agitación de los fangos del digestor.
Purga.
La purga del digestor se realiza por una abertura ubicada en la base del mismo,
a través de esta y por medio de varias conducciones los fangos serán
evacuados. Existen dos posibles vías de evacuación:

La primera vía consiste en el vertido de los fangos al interior de un
contenedor aforado, lo que nos permite llevar un control sobre el volumen
de fango purgado. El contenedor aforado podrá vaciar el contenido
35
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana

recogido de fangos a la red, mediante el accionamiento de una llave de
paso.
La segunda vía se basa en el vertido directo a la red del contenido del
digestor, para ello abriremos una llave de paso.
Ambas vías de evacuación permiten la toma de muestras de fango digerido,
procedente del digestor piloto.
c) Sensores.
El digestor piloto posee una serie de sensores que permiten controlar el
funcionamiento del proceso de digestión anaerobia, para que este se desarrolle
sin incidencias y de la forma más óptima posible. Para ello se ha dotado al
sistema con dos sensores de temperatura, uno que controla la temperatura en
el interior del digestor y otro encargado del control de la temperatura alcanzada
por el sistema de calefacción.
Para evitar que la bomba de alimentación funcione en vacío el depósito de
alimentación cuenta con un sensor de nivel, encargado de la desconexión de la
bomba cuando el fango pierde un determinado nivel. Todos los sensores están
conectados al sistema de control.
d) Conducciones.
Tanto las conducciones de salida como las de entrada al depósito, están
fabricadas en PVC en distintos tamaños y espesores. Para controlar los
caudales de entrada y salida, tanto para fangos como para gases, se
dispondrán de una serie de llaves de paso distribuidas en todo el sistema. Se
deberá garantizar la estanqueidad del mismo y de los accesorios y juntas
empleados.
Al igual que las conducciones rígidas, las conducciones flexibles empleadas en
la alimentación y vaciado del digestor deberán garantizar la estanqueidad del
sistema.
4.1.2. Línea de gases.
La línea de gases se compone de un caudalímetro, de una válvula de alivio, de
dos manómetros que controlan la presión alcanzada en el interior del digestor
piloto y de una conducción para la salida del biogás. También cabe comentar
que en la instalación inicial el sistema contaba con un gasómetro. A
continuación se realizará una breve descripción de cada equipo que forma
parte de esta línea.
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Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
a) Caudalímetro
Para cuantificar el volumen de biogás producido durante el proceso de
digestión anaerobia se dispone de un caudalímetro (del tipo contador de gas
natural) el cual está conectado al sistema por una serie de conducciones
flexibles. En el sistema actual, el biogás producido es liberado al exterior una
vez haya sido contabilizado por el caudalímetro.
Para protegerlo de las inclemencias climáticas, el caudalímetro se ha instalado
en el interior de un armario metálico.
b) Conducción de salida
Existe otra abertura para la salida del biogás y se sitúa en la tapa superior del
depósito, a continuación se ha instalado una conducción rígida de PVC, con
una llave de paso. En el sistema diseñado inicialmente la salida de gas del
depósito se conectaba con el caudalímetro y este con un gasómetro, a través
de una conducción flexible.
Actualmente ésta conducción de salida se emplea como punto para la toma de
muestras del biogás, el procedimiento de toma de biogás se describe en el
apartado 5.5, del presente trabajo.
c) Válvula de alivio de presión
La línea de gas cuenta con un dispositivo encargado de evitar el deterioro del
sistema por sobrepresiones, este es la válvula de alivio, ésta en caso de
sobrepresión en el interior del digestor, libera cierta cantidad de gas hasta que
la presión en el sistema sea inferior a la presión de tarado de la válvula. La
válvula está ubicada en la tapa del depósito (figura 4.2).
Figura 4.2. Válvula de alivio de presión.
37
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
La válvula posee un sistema con control de muelle y escape automático, con
capacidad para absorber y liberar al exterior el flujo de gas, que permite una
reducción de la sobrepresión detectada en el interior del digestor. Para que el
escape de gas se produzca de la manera más óptima, la válvula se ubicará en
la parte superior del digestor, y se adecuará para evitar la entrada de agua del
exterior en la línea de gas.
d) Manómetros
La instalación cuenta con dos manómetros encargados de medir la presión que
alcanza el biogás en el interior del digestor. La existencia de los dos
manómetros permite verificar las medidas que tomen cada uno de ellos. El
primer manómetro cuenta con dos escalas de medida: milibares (mbar) y mm
de agua (mmH2O). El segundo manómetro es de columna de agua, y se
encuentra aforado (mmH2O) mediante una escala metálica dispuesta en
vertical.
4.1.3. Sistema de control.
El digestor piloto está integrado en el SCADA de planta (Figura), con lo que
mediante este podemos controlar los parámetros de funcionamiento del mismo.
Junto al digestor piloto se ha dispuesto un cuadro eléctrico, que aloja todo el
aparataje eléctrico, así como los dispositivos necesarios para el funcionamiento
remoto del digestor piloto.
Figura 4.3. Captura del SCADA del digestor piloto.
38
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
El sistema de control está controlado por un autómata programable compacto o
PLC (Figura). Este se encarga del control de la velocidad del agitador,
mediante un variador de frecuencia conectado al mismo. Además de lo citado
anteriormente también controla la temperatura de las sondas de temperatura,
mediante un conversor a señal analógica.
Figura 4.4. PLC del digestor piloto.
La calefacción será controlada mediante un relé de estado sólido para el
encendido y apagado de la resistencia.
Como observamos en la figura 4.3, el SCADA del digestor piloto, permite el
control de la puesta en marcha y paro de la agitación, y del sistema de
calefacción. Introduciendo el valor de los parámetros en modo manual,
podemos automatizar el proceso activando el modo automático.
También cuenta con una serie de señales que indican: depósito de
alimentación lleno o vacío, temperatura alta y baja, agitador en marcha o paro y
bomba de alimentación en marcha o paro.
En futuras actualizaciones del programa se incluirán acceso a los históricos de
temperatura y a los de marcha y paro de los equipos.
El SCADA del digestor piloto está programado en JAVA y comunica con el PLC
por Modbus.
39
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
4.2. Esquema global del sistema.
Todo lo expuesto anteriormente puede verse recogido en el siguiente esquema:
Figura 4.5. Esquema global del sistema. (Elaboración propia)
Como podemos ver en el esquema de funcionamiento global del sistema, el
proceso puede resumirse en:
1. Llenado del digestor piloto: el cual se ha realizado con fangos
procedentes del interior del digestor anaerobio de la planta, mediante
bombeo a través de una conducción flexible.
2. Alimentación del digestor piloto: se realiza diariamente con fangos
mixtos procedentes de la cámara de mixtos de la planta, mediante una
bomba el fango es impulsado al interior del digestor.
3. Producción de biogás: el biogás producido durante el proceso es
contabilizado mediante un caudalímetro, posteriormente se libera el gas
producido al exterior. La presión alcanzada en el interior del digestor es
controlada mediante manómetros y en caso de sobrepresión en su
interior, entra en juego la válvula de alivio, que libera el exceso de gas
evitando deterioros del sistema.
4. Purga y vaciado: se han ejecutado unas conducciones que permiten, por
un lado, evacuar directamente a la red de saneamiento de la planta y por
40
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
otro, verter a un contenedor, lo que permite la toma de muestras de los
fangos digeridos en el digestor piloto.
El aspecto real del digestor piloto se muestra a continuación en la siguiente
figura:
Figura 4.6. Digestor piloto, visto desde el terciario.
5. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.
Para la realización del presente trabajo se han llevado a cabo una serie de
actividades, las cuales han sido agrupadas en dos fases:
1) Fase: puesta en marcha del digestor y estabilización del proceso de
digestión anaerobia. Las actividades realizadas en esta fase han sido:
 Llenado del digestor con fangos procedentes del digestor de planta.
 Cálculo del caudal de alimentación.
 Inicio de la alimentación del digestor piloto.
 Toma de muestras de fango y realización de analíticas.
 Control de la producción de biogás por el digestor piloto.
41
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
Alcanzada la estabilidad del proceso se procedió con el inicio de la segunda
fase:
2) Fase: inicio del incremento del pH del proceso de digestión anaerobia por
adición de NaOH y estudio de los efectos. Esta puede dividirse en:
 Cálculo de la dosificación de hidróxido de sodio.
 Inicio de la dosificación de sosa al proceso.
 Toma de muestras de fango y realización de analíticas.
 Control de la producción de biogás por el digestor piloto.
A continuación se describirán los procesos mencionados.
5.1. Puesta en marcha del digestor: cálculo del caudal de alimentación.
Como se comentó anteriormente para conseguir una biomasa adecuada para
el proceso de digestión anaerobia, y para ahorrar tiempo con ello, se procedió a
la inyección de fangos procedentes del interior del digestor de planta, en el
digestor piloto de estudio.
Por lo que a partir de este punto se procedió con el cálculo del caudal de
alimentación necesario para simular en el digestor piloto las mismas
condiciones de funcionamiento y los rendimientos alcanzados por el digestor de
planta. Por este motivo, para el cálculo del caudal de alimentación del digestor
piloto se han tenido en cuenta los datos de caudal de alimentación registrados
para el digestor de planta, para el año 2012 (tabla 5.1).
Tabla 5.1. Caudal de alimentación del digestor de la planta. Fuente: DAM S.L.
Año 2012
Enero
Febrero
Marzo
Abril
Mayo
Junio
Julio
Agosto
Septiembre
Octubre
Noviembre
Diciembre
Media:
Qmixtos
(m3/día)
45
70
65
57
45
45
34
29
31
36
39
28
44
A partir del caudal medio de alimentación para dicho año, y considerando que
el digestor ha sido inoculado inicialmente con fangos del digestor principal, se
ha considerado que el tiempo de retención hidráulico para el digestor piloto
42
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
debería ser igual que el del digestor de planta. Por lo que el procedimiento
seguido ha sido:
Digestor planta:
⁄
Digestor piloto: teniendo en cuenta el tiempo de retención hidráulico del
digestor de la planta, se procedió:
Hay que tener en cuenta para el cálculo final que el depósito de alimentación
tiene un volumen de fangos que no es bombeado al digestor piloto (rechazo).
El volumen rechazo de fangos tiene un valor de: V rechazo=15 l. Por tanto para
que el digestor reciba el volumen correcto de fango hay que añadir ese
volumen rechazo.
Por lo que el valor final del caudal de mixtos a alimentar diariamente es de:
5.2. Proceso de alimentación del digestor piloto.
La alimentación del digestor piloto se ha realizado de manera diaria, con el
caudal de fangos mixtos citado en el apartado anterior. El alumno ha llevado a
cabo esta actividad los días laborables, mientras que los no laborables, la tarea
fue realizada por los operarios de la planta. El material empleado para llevar a
cabo la alimentación del sistema ha sido el siguiente:


Bidones plásticos con tapón roscado, con un volumen de 25 litros, cada
uno.
Transpaleta y pallet para el transporte de los bidones.
El procedimiento seguido para la alimentación del digestor piloto es el
siguiente:
1) Primeramente, mediante la ayuda de la transpaleta, se desplazan los
bidones hasta el punto de toma de fango, ubicado junto el sistema de
bombeo que alimenta con fangos de la cámara de mixtos al digestor
anaerobio de la EDAR, este se encuentra en un espacio semiconfinado y
43
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
bajo rasante. Para reducir riesgos, se ha ejecutado una conducción
conectada al sistema de bombeo (figura 5.1). Esta permite el llenado de los
bidones en el nivel superior, en la sala de deshidratación de fangos de la
planta.
Figura 5.1. Conducción para el llenado de los bidones. Fuente: Vera, 2013.
2) A continuación activaremos el sistema de bombeo, mediante el terminal del
sistema SCADA ubicado en la sala de cuadros de mandos adyacente a la
sala de deshidratación. Para la puesta en marcha del sistema de bombeo
es necesario activar el modo manual de funcionamiento, ya que
generalmente el sistema suele estar en modo automático.
3) Activada la bomba, procederemos con el llenado de los bidones mediante
la conducción citada anteriormente (figura 5.2). Acabado el llenado de los
bidones, desactivaremos el modo manual del sistema de bombeo y
volveremos a activar el modo automático. A continuación desplazaremos
los bidones hasta la ubicación del digestor piloto, para ello volveremos a
emplear la transpaleta.
44
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
Figura 5.2. Llenado del bidón.
4) Posteriormente procederemos con el llenado del depósito de alimentación
del digestor piloto. Con motivo de la elevada viscosidad del fango mixto
deberemos actuar con la mayor cautela, para evitar en la medida de lo
posible las salpicaduras de fango.
5) Una vez llenado el depósito de alimentación, se activará el sistema de
bombeo del digestor piloto. Debido a las características de la bomba el
proceso de alimentación tiene una duración de aproximadamente dos
horas. Mediante el sensor de nivel que posee el depósito de alimentación,
alcanzado el nivel mínimo, el sistema de bombeo se detendrá
automáticamente.
6) Finalmente se procederá con la limpieza del depósito de alimentación y de
los bidones. En la medida de lo posible trataremos de evitar que queden
restos de fangos en los mismos.
5.3. Toma de muestras de fango.
La frecuencia de la toma de muestras de fango ha variado en función de la fase
de proyecto en la que nos encontráramos. Así en la primera fase la toma de
muestras se realizó dos veces por semana, y en la segunda fase fue diaria.
Se tomaron diferentes muestras de fango, en función de esto el punto de toma
de las mismas cambió:

Fangos digeridos del digestor piloto
Estos fangos fueron tomados en dos puntos diferentes. El primer punto fue
la conducción de purga del digestor piloto, mientras se realizaba la
alimentación del mismo. Para el caso en que el caudal de salida de la
45
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
purga no fuera suficiente como para tomar una muestra, se recurrió a la
apertura parcial de la llave de paso, de la conducción que vaciaba el
contenido del digestor piloto.

Fangos digeridos del digestor de la planta
La toma de muestras de estos fangos era realizada diariamente por los
operarios de la planta, en el punto de muestreo habilitado para ello.

Fangos mixtos
Durante el proceso de llenado de los bidones para la alimentación del
digestor piloto se tomaron muestras del mismo para su análisis.
La toma de muestras de estos fangos se realizó en el mismo punto donde
se tomaron los fangos mixtos para alimentar el digestor piloto.

Fangos mixtos con hidróxido sódico
Estos fangos fueron tomados directamente del depósito de alimentación,
previa homogeneización del contenido del mismo.
Cabe comentar, que las tres primeras muestras de fango fueron tomadas
durante el transcurso de las dos fases del estudio, mientras que la última
muestra de fango solo fue recogida durante la segunda fase.
Las muestras fueron recogidas en recipientes de plástico de un litro de
capacidad, cantidad considerada suficiente para una buena homogeneización
de las muestras empleadas para cada análisis. Tomada la muestra, se llevó al
laboratorio para realizar los distintos análisis. Realizados los análisis se
limpiaron los recipientes con agua jabonosa y se dejaron secar hasta el
siguiente muestreo.
5.4. Dosificación de hidróxido de sodio al proceso de digestión anaerobia.
Como se comentó anteriormente en esta fase de la investigación lo que se
pretendió fue estudiar los efectos del pH extremo sobre el proceso de digestión
anaerobia. Para conseguir tal fin, se añadió como aditivo hidróxido de sodio
(NaOH) al proceso, variando la dosis de menor a mayor cantidad.
A continuación se explicará el fundamento, el cálculo de la dosificación de este
reactivo y el procedimiento para añadir este mismo al proceso.
5.4.1. Fundamento.
Nuestro estudio se basó en la hipótesis de que al añadir hidróxido de sodio al
proceso de digestión anaerobia se produciría un incremento en la producción
de biogás.
46
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
Para ello se ha partido de la reacción química: CO2 + OH- ↔ HCO3- , como
observamos el dióxido de carbono y el grupo hidroxilo, en disolución se
combinan para generar bicarbonato. Este pasará a formar parte, como reactivo,
de las reacciones de degradación de los compuestos intermedios (ácidos
grasos, alcoholes...), por las bacterias acetogénicas.
Lo que se refleja en las reacciones de degradación del etanol (ec. 1) y del
butirato (ácido graso) (ec. 2), tomadas como ejemplo:
2CH3CH2OH + HCO3-
↔ 2CH3COO- + CH4 + H2O + H+:
(ec. 1)
2CH3CH2CH2COO- +HCO3- +H2O ↔ 2CH3CH2COO- + 2CH3COO- + CH4 + H+: (ec. 2)
Como observamos en ambas reacciones obtenemos como producto de
reacción acetato (CH3COO-), el cual será transformado por las bacterias
metanogénicas acetoclásticas en metano, según la reacción:
CH3COO- + H2O ↔ HCO3- + CH4
Por lo que se esperaba desplazar el equilibrio de las reacciones hacia la
producción de acetato, para obtener un incremento en la producción de biogás.
Y teniendo en cuenta que la mayoría de metano se obtiene por esta vía, se ha
esperado que se produjera también un incremento de la calidad en el biogás,
aumentando la proporción en metano del mismo.
5.4.2. Cálculo de la dosificación de hidróxido de sodio.
Para el cálculo de la cantidad a dosificar de hidróxido de sodio, se realizaron en
laboratorio pruebas con dos muestras de fango, por un lado fango mixto con el
que se alimenta el digestor y por el otro lado fango digerido procedente del
digestor piloto. Estas consistieron en buscar la dosis de NaOH al 50%
necesaria para subir los fangos mencionados a pH 8,5.
Posteriormente, el resultado obtenido de las experimentaciones en laboratorio,
fue extrapolado al digestor piloto, teniendo en cuenta, el caudal diario de
alimentación de fangos mixtos y el aumento progresivo del pH del proceso.
Esto es así, porque se buscaba la adaptación de la biomasa contenida en el
digestor piloto, a las nuevas condiciones de operación.
Teniendo en cuenta lo mencionado anteriormente se determinó que la dosis
inicial de NaOH al 50% sería de 154 ml.
47
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
5.4.3. Procedimiento de dosificación de hidróxido de sodio.
El procedimiento seguido para dosificar el reactivo fue el siguiente:
1) Vaciado el contenido de fangos mixtos de dos bidones, se añade la dosis
de hidróxido sódico, y posteriormente se acabó de añadir el resto de
fangos.
2) A continuación se homogeneizó la mezcla mediante agitación. Y finalmente
se procedió con la activación del sistema de bombeo.
Transcurrida una semana se incrementó la dosis de reactivo a cinco veces la
inicial. Quince días después se volvió a incrementar en diez veces la inicial.
Una vez alcanzado el pH buscado de 8,5, la dosis se bajó, de esta forma, se
mantuvo constante el pH del proceso en dicho valor.
5.5. Metodología de los análisis realizados.
Las analíticas realizadas fueron las siguientes:






Determinación de la alcalinidad total y la acidez volátil.
Determinación de la demanda química orgánica en fangos.
Determinación del pH en fangos.
Determinación de los sólidos totales del fango.
Determinación de los sólidos volátiles del fango.
Determinación del contenido en sulfuro de hidrógeno y dióxido de carbono
del biogás.
A continuación se realiza una descripción completa de cada uno de los
ensayos citados anteriormente. Estos han sido realizados según lo reflejado en
el libro: Standard Methods for Examination of Water and Wastewater, 1989.
5.5.1. Determinación de la alcalinidad total (TAC) y la acidez volátil (AGV).
Fundamento
Para determinar la alcalinidad y la acidez volátil se realizará una determinación
volumétrica ácido-base, en un extracto acuoso de los fangos de digestión, de
las bases presentes (fundamentalmente bicarbonatos) y de los ácidos volátiles
solubles. La determinación de estos parámetros es fundamental para controlar
el correcto funcionamiento del proceso de digestión anaerobia.
La estabilidad del proceso depende de la cantidad tamponante del digestor,
que viene dada por la alcalinidad. Los valores normales de alcalinidad en el
interior de un digestor varían entre 1500 y 5000 mg CaCO3/l, siendo el intervalo
48
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
óptimo 2000 y 2500 mg CaCO3/l. Cuanto mayor sea la alcalinidad, mayor es la
capacidad para resistir cambios de pH.
Los ácidos grasos volátiles son producidos por las bacterias acidogénicas y
tienden a disminuir el pH en el interior del digestor. En condiciones estables las
concentraciones de ácidos volátiles están en el intervalo 100 – 300 mg/l.
Por eso, a efectos de regular el proceso, deberemos determinar la relación
existente entre el contenido en ácidos volátiles y la alcalinidad total. El valor
adecuado para este parámetro deberá situarse por debajo de 0,25. Valores de
este cociente superiores a 0,8 indican que se ha producido una inhibición de la
metanogénesis. Valores situados por encima de 0,25 hasta 0,4 indican la
existencia de problemas en el proceso y deberán tomarse medidas correctoras.
Material y equipos.
Los materiales y equipos empleados para la determinación de la alcalinidad y la
acidez volátil, son los siguientes:










Dos probetas de 25 ml.
Cuatro tubos de centrífuga de 13 ml.
Centrífuga Bunsen modelo Tattus, programable, con selector de velocidad.
Dos vasos de precipitados Pyrex de 250 ml.
Placa calefactora con agitador magnético, con temperatura y velocidad
ajustables, de Schott Instruments.
pH-metro marca Crison modelo pH Basic 20 +.
Bureta digital Hirschmann Laborgeräte, modelo Solarus 50 ml.
Ácido sulfúrico (H2SO4) 0,1 N solución valorada.
Hidróxido sódico (NaOH) 0,1 N solución valorada.
Pipeta automática de volumen ajustable de 1 – 10 ml. Socorex, modelo
Acura 835.
Procedimiento experimental
El procedimiento a seguir es el detallado a continuación:

Introducir un volumen de fango previamente homogeneizado de 12,5 ml en
cada uno de los tubos de la centrífuga, empleando la pipeta automática
(figura 5.3).
49
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
Figura 5.3. Tubos de centrífuga con muestra de fango.


Introducir los tubos en la centrífuga y centrifugar durante 15 minutos a
velocidad media.
Recoger el sobrenadante de los tubos en los vasos de precipitados,
vertiendo dos por vaso (figura 5.4).
Figura 5.4. Vasos de precipitados con sobrenadante resultante de la centrifugación.



Suspender el residuo de los tubos con agua destilada, verter en la probeta
y enrasar con agua destilada hasta los 25 ml, eliminando el residuo de los
tubos.
Homogeneizar el contenido de las probetas y distribuir un volumen de 12,5
ml en cada tubo de centrífuga.
Introducir los tubos en la centrífuga y centrifugar de nuevo durante 15
minutos a velocidad alta (figura 5.5).
50
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
Figura 5.5. Tubos en el interior de la centrífuga.



Recoger el sobrenadante de los tubos en los vasos de precipitados,
vertiendo dos por vaso.
Agitar mediante agitador magnético el líquido recuperado y determinar el
pH inicial.
Añadir mediante bureta ácido sulfúrico 0,1N hasta alcanzar un pH = 4 y
anotar el volumen consumido de reactivo: V1.
Figura 5.6. Inicio de la valoración ácido - base.


Continuar añadiendo ácido sulfúrico hasta pH = 3,5.
Empleando la placa calefactora y en campana, llevar a ebullición durante 3
minutos, y dejar enfriar hasta que alcance temperatura ambiente.
51
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
Figura 5.7. Ebullición del sobrenadante.


Añadir mediante bureta hidróxido sódico 0,1N hasta alcanzar un pH = 4 y
anotar el volumen consumido de reactivo: V2.
Seguir añadiendo con la bureta hidróxido sódico 0,1N hasta pH = 7 y
anotar el volumen: V3.
Expresión de los resultados
El contenido de ácidos grasos volátiles y el de alcalinidad total viene expresado
por:
Donde V1, V2 y V3 son los volúmenes de los valorantes empleados, expresados
en ml.
Frecuencia de muestreo.
La determinación de estos parámetros inicialmente fue de dos veces por
semana, cuando se comenzó la adición de NaOH al proceso se incrementó la
frecuencia a diariamente.
52
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
5.5.2. Determinación de la demanda química orgánica (DQO) en fangos.
Fundamento
La demanda química de oxígeno de un agua, DQO, determinada por el método
del dicromato puede considerarse como una medida aproximada de la
demanda teórica de oxígeno, es decir, la cantidad de oxígeno consumida en la
oxidación química total de los constituyentes orgánicos para transformarse en
productos finales inorgánicos.
Este método se basa en la reacción de las sustancias orgánicas oxidables en
medio fuertemente acidificado con ácido sulfúrico, con dicromato de potasio, en
presencia de sulfato de plata como catalizador del proceso. El Cr 6+ presente
en forma de dicromato de potasio (K2Cr2O7) es reducido por las materias
oxidables presentes a Cr 3+, se determinará la cantidad de K2Cr2O7 no reducido,
mediante análisis espectrofotométrico, obteniéndose de esta forma el valor
presente de DQO en las muestras. Ya que 1 mol de K2Cr2O7 es equivalente a
1,5 mol de O2.
Para agilizar la determinación de la DQO, se ha empleado el kit de Hach LCK
014, con un rango de medición entre 1000 y 10000 mg O2/l.
Para determinar el valor de este parámetro en fangos, se recurrió a una
dilución de la muestra en una proporción 1:10, ya que los valores de DQO son
muy elevados para poder ser determinados mediante este método.
Material y equipos.
Los materiales y equipos empleados para la determinación de la DQO de la
muestra, son los siguientes:






Termostato Hach-Lange modelo LT 200
Cubetas - test de 13 mm de diámetro para medición de DQO de HachLange LCK 014, con rango de medición 1000 – 10000 mg O2/l.
Espectrofotómetro Hach-Lange modelo DR 2800.
Pipeta automática de volumen ajustable 0,2 – 2 ml. Socorex, modelo Acura
835.
Vaso de precipitados Pyrex de 25 ml de volumen.
Pipeta automática de volumen ajustable 100 – 1000 µl. Socorex.
Procedimiento experimental
El procedimiento a seguir es el detallado a continuación:

Agitar la cubeta para homogeneizar los reactivos contenidos en el interior
de la cubeta.
53
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
Figura 5.8. Cubeta para medición de DQO.



Pipetear en la cubeta 0,5 ml de muestra (previamente diluida y
homogeneizada), cerrar la cubeta, limpiar el exterior de la misma y agitarla.
Introducir la cubeta en el termostato, y calentar la cubeta durante dos
horas a una temperatura de 148 ± 5 ºC.
Transcurridas las dos horas de digestión extraer la cubeta del interior del
termostato, agitar la cubeta y dejar enfriar a temperatura ambiente.
Figura 5.9. Cubetas de DQO tras la digestión en el termostato.

Una vez enfriada la cubeta, limpiar bien el exterior de la misma e introducir
en el espectrofotómetro para realizar la medida de DQO de la muestra
(figura 5.10). Antes de realizar la medición los sedimentos deben estar
54
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
totalmente asentados, para evitar cualquier error en la lectura del
parámetro de DQO de las muestras.
Figura 5.10. Medición de DQO en el espectrofotómetro.
Expresión de los resultados
La demanda química de oxígeno de las muestras (DQO) vendrá expresada en
mg O2/l.
Frecuencia de muestreo.
La determinación de este parámetros inicialmente fue con una frecuencia de
dos veces por semana, cuando se comenzó la adición de NaOH al proceso de
digestión anaerobia se incrementó la frecuencia de análisis a diariamente.
5.5.3. Determinación del pH en fangos.
Fundamento
El principio básico de la determinación del pH es la medida de la actividad de
los iones de hidrógeno por mediciones potenciométricas utilizando un electrodo
patrón de hidrógeno y otro de referencia. Para nuestro caso se realizaron
determinaciones de pH en fangos digeridos procedentes del digestor piloto,
fangos mixtos y fangos mixtos con hidróxido sódico.
55
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
Material y equipos.
Los materiales y equipos empleados para la determinación del pH en las
muestras de fango fueron:



pH-metro Crison modelo pH Basic 20 +.
3 vasos de precipitados Pyrex de 250 ml de capacidad.
Frasco lavador con agua destilada
Procedimiento experimental
El pH-metro de calibrará semanalmente siguiendo los siguientes pasos:






Desenroscar el tapón protector del electrodo, aclarar con agua destilada el
electrodo y secarlo.
Encender el aparato y pulsar el botón CAL y posteriormente el botón pH
para proceder con la calibración del mismo.
Introducir el electrodo en el primer tampón de pH 7,00, hasta que nos pida
el segundo tampón.
Limpiar el electrodo con agua destilada e introducir el electrodo en el
segundo tampón de pH 4,01, hasta que nos pida el tercer tampón.
Limpiar de nuevo el electrodo con agua destilada e introducir el electrodo
en el tercer tampón de pH 9,21, hasta que nos indique que el equipo ya
está calibrado.
Desconectar el pH-metro y proceder con la limpieza del electrodo con agua
destilada. Enroscar el tapón protector del electrodo.
El procedimiento seguido para determinar el pH de las diferentes muestras de
fangos es que se detalla a continuación:



Desenroscar el tapón protector del electrodo, aclarar con agua destilada el
electrodo y secarlo.
Homogeneizar la muestra mediante agitación y en un vaso de precipitados
tomar la muestra de fango.
Introducir el electrodo en el interior de la muestra y proceder con la lectura
del pH empleando el modo medición por estabilidad del aparato. (figura
5.11).
56
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
Figura 5.11. Medición del pH en fango digerido.


Esperar hasta obtener una lectura estable de pH y anotar la misma.
Desconectar el pH-metro y proceder con la limpieza del electrodo mediante
aclarado con agua destilada y secado del mismo. Enroscar el tapón
protector del electrodo.
Expresión de los resultados
El pH vendrá expresado en unidades de pH con una precisión de dos cifras
decimales.
Frecuencia de muestreo.
Inicialmente la frecuencia en la que se tomaron y analizaron las muestras fue
de dos veces en semana. Posteriormente cuando se inició la adición de
hidróxido sódico al proceso de digestión anaerobia, se cambió la frecuencia de
muestreo a diariamente.
5.5.4. Determinación de los sólidos totales del fango.
Fundamento
El principio básico de la medida de los sólidos totales de un fango se basa en la
determinación gravimétrica de la materia sólida presente en las muestras de
fango tras desecación en estufa a una temperatura de 105 ± 15 ºC. Para lo
que un volumen de muestra bien homogeneizada es introducido en el interior
57
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
de un crisol, la cual es secada hasta alcanzar peso constante en el interior de
la estufa a la temperatura citada anteriormente. El aumento de peso con
respecto al peso del crisol vacío representa la cantidad de sólidos totales del
volumen de muestra sometido a ensayo.
Para nuestro caso se realizaron determinaciones de sólidos totales en
muestras de fangos digeridos procedentes del digestor piloto, fangos mixtos y
fangos mixtos con hidróxido sódico.
Material y equipos.
Los materiales y equipos empleados para la medida de los sólidos totales de
las muestras de fango, fueron los siguientes:

Balanza analítica marca BEL Engineering modelo MARK 150 A, con
resolución de 0,0001 g y 150 g de peso máximo.
Desecador
Estufa de secado marca J.P. Selecta modelo Conterm 2000209 con 36 l
de capacidad.
Crisol de porcelana.
Pinzas.




Procedimiento experimental
El procedimiento seguido para determinar los sólidos totales de las diferentes
muestras de fango es el detallado a continuación:
a) Preparación del crisol:



Introducir el crisol en la estufa de secado y calentarla durante una hora
a una temperatura de 105 ± 15 ºC.
Extraer el crisol y enfriarlo en el desecador.
Pesar el crisol y anotar la medida (P1) y conservar en el desecador
hasta su uso. (figura).
b) Análisis de la muestra:



Llenar el crisol con una muestra de fango representativa entre 25 y 50
g, volver a pesar y anotar la medición (P2).
Introducir el crisol en la estufa de secado y secar durante 24h a una
temperatura de 105 ± 15 ºC.
Extraer el crisol de la estufa y enfriar hasta temperatura ambiente en el
desecador. (figura 5.12)
58
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
Figura 5. 12. Desecador con crisoles de fango.

Una vez enfriado el crisol, pesar y anotar la medición (P3). (figura 5.13)
Figura 5. 13. Pesada del crisol con muestra (P3).
Expresión de los resultados
El contenido en solidos totales de las muestras de fango viene expresado por:
Donde P1, P2 y P3 son los pesos expresados en g.
59
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
Frecuencia de muestreo.
Inicialmente la frecuencia en la que se tomaron y analizaron las muestras fue
de dos veces en semana. Posteriormente cuando se inició la adición de
hidróxido sódico al proceso de digestión anaerobia, se cambió la frecuencia de
muestreo a diariamente.
5.5.5. Determinación de los sólidos volátiles del fango.
Fundamento
Obtenidos los sólidos totales de la muestra se determinará la porción de esta
volatilizable por calcinación en mufla durante una hora a una temperatura de
550 ± 50 ºC. De esta manera obtendremos la proporción de materia orgánica
presente en las muestras de fango, la cual se evaporará de la muestra y por
diferencia de pesadas podremos calcularla.
Se realizaron determinaciones de sólidos volátiles en muestras de fangos
digeridos procedentes del digestor piloto, fangos mixtos y fangos mixtos con
hidróxido sódico.
Material y equipos.
Los materiales y equipos empleados para la medida de los sólidos volátiles
presentes en las muestras de fango, fueron los siguientes:








Balanza analítica marca BEL Engineering modelo MARK 150 A, con
resolución de 0,0001 g y 150 g de peso máximo.
Horno mufla
Desecador.
Crisol de porcelana.
Rascador.
Crisol de porcelana con la muestra procedente de la determinación de los
sólidos totales.
Pinzas para mufla.
Guantes de protección para el calor.
Procedimiento experimental
El procedimiento seguido para determinar los sólidos volátiles de las muestras
de fango es el detallado a continuación:
a) Preparación del crisol:
 Introducir el crisol en el horno mufla y calcinarlo durante una hora a una
temperatura de 550 ± 50 ºC.
 Extraer el crisol y enfriarlo en el desecador.
60
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana

Pesar el crisol y anotar la medida (P1) y conservar en el desecador
hasta su uso (figura 5.14).
Figura 5.14. Pesado de crisol para mufla en báscula (P1).
b) Análisis de la muestra:



Transferir la mayor parte posible del residuo obtenido en la
determinación de los sólidos totales (ayudarse con el rascador para
despegar el residuo de las paredes del crisol) a un crisol, pesar y
anotar la medición (P2).
Introducir el crisol en el horno mufla y calcinar durante una hora a una
temperatura de 550 ± 50 ºC.
Extraer el crisol de la mufla, ayudándose con las pinzas para mufla y
los guantes de protección para el calor, y enfriar hasta temperatura
ambiente en el desecador. (figura 5.15)
61
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
Figura 5. 15. Extracción del crisol de la mufla y enfriamiento del mismo en el
desecador.

Una vez enfriado el crisol pesar en la báscula y anotar esta medición
(P3).
Figura 5. 16. Muestras de fango calcinadas en mufla (P3).
Expresión de los resultados
El contenido en solidos volátiles de las muestras de fango viene expresado por:
Donde P1, P2 y P3 son los pesos expresados en g.
62
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
Frecuencia de muestreo.
Inicialmente la frecuencia en la que se tomaron y analizaron las muestras fue
de dos veces en semana. Posteriormente cuando se inició la adición de
hidróxido sódico al proceso de digestión anaerobia, se cambió la frecuencia de
muestreo a diariamente.
5.5.6. Determinación del contenido en sulfuro de hidrógeno (H2S) y
dióxido de carbono (CO2) del biogás.
Fundamento
El biogás producido durante la digestión anaerobia contiene metano (CH4) y
dióxido de carbono (CO2) como componentes principales, con cantidades
menores de hidrógeno (H2), sulfuro de hidrógeno (H2S), nitrógeno (N2) y
oxígeno (O2), además de estar saturado de vapor de agua. Comúnmente se
analiza la composición del biogás producido para estimar su valor de
combustión y verificar el proceso de tratamiento. Las proporciones relativas de
CO2, CH4 y H2S son normalmente las de mayor interés debido a los
porcentajes relativamente elevados de estos gases.
La determinación del contenido en H2S y CO2 del biogás se basa en la
obtención de muestras del mismo del interior del digestor mediante una bomba
manual de pistón en cuyo extremo vendrán colocados diferentes tubos
colorimétricos en función del compuesto a analizar.
Material y equipos.
Los materiales y equipos empleados para la medida del contenido en H2S y
CO2 del biogás, han sido los siguientes:



Bomba manual de pistón de RAE Systems modelo LP-1200.
Tubo colorimétrico de detección de H2S de RAE Systems con rango de
medición del 100-2000 ppm.
Tubo colorimétrico de detección de CO2 de RAE Systems con rango de
medición del 5-40%.
Procedimiento experimental
El procedimiento a seguir para determinar el contenido en H2S y CO2 (figura
5.17) es el detallado a continuación:
63
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana

Romper ambos extremos de un tubo de detección nuevo, utilizando la
boquilla lateral de la bomba e introducirlo en la entrada de goma de la
bomba con la flecha del tubo en dirección a la bomba.
Figura 5. 17. Bomba manual de pistón y tubos colorimétricos.



Selecciona el volumen de bomba deseado, y alinear la marca roja del
cuerpo con la marca del émbolo. Para la medición de H2S el volumen
seleccionado será de 100 ml para la determinación del CO2 el volumen
será de 50 ml.
Tirar del asa del émbolo rápidamente hasta que se fije en 50 o 100 ml (se
oirá un clic) y esperar el tiempo indicado, para permitir al aire circular por el
tubo. El caudal se completa cuando el indicador de la parte trasera brilla
como al principio. Para el caso del H2S se producirá un cambio de color de
blanco a marrón, indicando la concentración presente de este compuesto.
En el caso del CO2 el cambio de color es de blanco a morado.
Lee la concentración directamente de la escala grabada en el tubo, la
lectura se deberá realizar inmediatamente después de la toma de muestra,
ya que en el caso del CO2 el color se difumina con el paso del tiempo.
Expresión de los resultados
El contenido en H2S de la muestra de biogás vendrá expresado en mg/l o ppm.
Mientras que el contenido en CO2 del biogás se expresa en porcentaje.
64
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
Frecuencia de muestreo.
La determinación de este parámetros inicialmente fue con una frecuencia de
dos veces por semana, cuando se comenzó la adición de NaOH al proceso de
digestión anaerobia se incrementó la frecuencia de análisis a diariamente.
5.6. Control del biogás producido.
Mediante la instalación del caudalímetro, diariamente se controló el volumen de
biogás producido por el digestor piloto. Como se comentó anteriormente, este
caudalímetro es un contador de gas doméstico, generalmente utilizado para el
control del consumo de gas natural en los hogares que disponen del mismo.
Para llevar a cabo dicha tarea, se elaboró una tabla para la toma de datos
(figura 5.18), en la que diariamente se anotaron:





Fecha de la medición.
Hora de la medición.
Volumen de alimentación de fangos mixtos.
Medición del gas reflejada en el visor del caudalímetro.
Variación de la medición con respecto al día anterior, o lo que es lo mismo
producción de biogás diaria.
Figura 5. 18. Tabla de toma de datos para el control de biogás producido.
La toma de datos se realizó diariamente por el alumno, durante los días
laborables y durante los no laborables fueron los operarios de la planta los que
la realizaron.
65
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
6. RESULTADOS Y DISCUSIÓN.
Como se ha comentado el presente estudio tiene dos fases y cada una de ellas
ha perseguido un objetivo.

1ª Fase: se busca que el digestor piloto trabaje con los mismos parámetros
de funcionamiento que el digestor anaerobio de la planta, logrando una
estabilización del digestor piloto.

2ª Fase: estudio de los efectos del pH extremo sobre el proceso de
digestión anaerobia, para ello se ha añadido al proceso como aditivo
hidróxido de sodio.
Todo esto se justificará mediante el análisis de los siguientes parámetros:
 Determinación de la alcalinidad total y la acidez volátil.
 Determinación de la demanda química de oxígeno en fangos.
 Determinación del pH en fangos.
 Determinación de los sólidos totales del fango.
 Determinación de los sólidos volátiles del fango.
 Determinación del contenido en sulfuro de hidrógeno y dióxido de carbono
del biogás.
Estos análisis se han realizado siguiendo la metodología descrita en el
apartado 5.5 de la presente memoria. Los resultados de los mismos son los
que se muestran a continuación.
6.1. Primera fase.
La primera fase ha durado un período de 1 mes. Durante la primera quincena
del mismo no se realizaron análisis de los fangos digeridos del digestor piloto,
ya que se esperó un tiempo prudencial para que se estabilizara el proceso,
además se produjeron varias incidencias que retrasaron el inicio de las
analíticas:


Retraso en el inicio de funcionamiento del nuevo sistema de calefacción.
Fugas de biogás en el digestor piloto, las cuales fueron detectadas y
tapadas.
6.1.1. Determinación de la alcalinidad total (TAC) y la acidez volátil (AGV).
 Fangos digeridos
La tabla 6.1, muestra los resultados de los parámetros de alcalinidad total y
acidez volátil para las muestras de fango extraídas del digestor anaerobio
piloto.
66
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
Tabla 6.1.Resultados de TAC y AGV de los fangos del digestor piloto.
Fecha
02/07/2013
04/07/2013
09/07/2013
11/07/2013
16/07/2013
Promedio
Fangos digestor piloto
TAC
AGV
(mg CaCO3/l)
(mg CaCO3/l)
2920
292
2928
262
3244
276
3314
318
3258
270
3133
284
AGV/TAC
0,10
0,09
0,09
0,10
0,09
0,09
Los resultados de los análisis de alcalinidad total y acidez volátil, realizados a
las muestras de fango extraídas del digestor anaerobio de la EDAR, se recogen
en la tabla 6.2.
Tabla 6.2. Resultados TAC y AGV de los fangos digeridos del digestor de planta.
Fecha
02/07/2013
04/07/2013
09/07/2013
11/07/2013
16/07/2013
Promedio
Fangos digestor planta
TAC
AGV
(mg CaCO3/l)
(mg CaCO3/l)
3158
292
3068
264
3150
285
3258
320
3145
286
3156
289
AGV/TAC
0,10
0,09
0,09
0,10
0,09
0,09
Calculando la variación de los valores analíticos de dichos parámetros
obtenidos en el digestor piloto con respecto a los valores del digestor de planta,
se obtiene lo indicado en la tabla 6.3.
Tabla 6.3. Variación del TAC y AGV de los fangos del digestor piloto con respecto a
los fangos del digestor de planta.
Variación
TAC
Fecha
(%)
02/07/2013
-7,54
04/07/2013
-4,56
09/07/2013
2,98
11/07/2013
1,72
16/07/2013
3,59
Promedio
-0,76
67
AGV
(%)
0,00
-0,76
-3,16
-0,63
-4,90
-1,89
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
3400
6,00
3300
4,00
2,00
3200
0,00
3100
-2,00
3000
-4,00
2900
Variación %
TAC (mgCaCO3/l)
La figura 6.1 recoge los valores analíticos obtenidos en la determinación de la
alcalinidad total para el caso del digestor piloto y el de planta. Los valores
obtenidos en el digestor piloto varían entre 2920 y 3314 mg CaCO3/l, mientras
que en el digestor anaerobio de la planta, estos oscilan entre 3068 y 3258 mg
CaCO3/l. Obteniéndose de media, que los valores son un 0,76 % inferiores en
el digestor piloto con respecto al de planta. Por lo que deducimos que el
digestor piloto ha logrado obtener un parámetro para la alcalinidad total muy
aproximado al que se obtiene en el digestor anaerobio de planta.
-6,00
2800
-8,00
2700
-10,00
2-jul
5-jul
D.piloto
8-jul
11-jul
14-jul
D.planta
% Variación
Figura 6.1. Representación de la alcalinidad total para el digestor piloto y para el de
planta y su porcentaje de variación.
Para el caso de la acidez volátil (AGV), la figura 6.2 recoge los valores
analíticos obtenidos durante su determinación, para el caso del digestor piloto y
el de planta. Los valores obtenidos en el digestor piloto varían entre 262 y 318
mg CaCO3/l, mientras que en el digestor anaerobio de la planta, se encuentran
entre 264 y 320 mg CaCO3/l. De media de obtiene, que los valores son un 1,89
% inferiores en el digestor piloto con respecto al de planta. Por lo que
deducimos que el digestor piloto, para el parámetro de acidez volátil, se
aproxima bastante al valor de este en planta.
68
350
0,00
300
-1,00
250
-2,00
200
-3,00
150
-4,00
100
Variación %
AGV (mgCaCO3/l)
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
-5,00
50
0
-6,00
2-jul
5-jul
D.piloto
8-jul
11-jul
14-jul
D.planta
% Variación
Figura 6.2. Representación de la acidez volátil para el digestor piloto y para el de
planta y su porcentaje de variación.
6.1.2. Determinación de la demanda química de oxígeno en fangos (DQO).
 Fangos digeridos
Los resultados obtenidos para la determinación de la demanda química de
oxígeno, para los fangos digeridos del digestor piloto y del digestor de planta,
se muestran en la tabla 6.4.
Tabla 6.4. Resultados de DQO para los fangos digeridos del digestor piloto y del de la
planta.
Fecha
02/07/2013
04/07/2013
09/07/2013
11/07/2013
16/07/2013
Promedio
Fangos
digestor piloto
DQO
(mg O2/l)
22010
21900
22300
23600
22060
22374
69
Fangos
digestor planta
DQO
(mg O2/l)
20170
20050
21700
22900
21500
21264
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
La variación del parámetro de DQO obtenido en el digestor piloto con respecto
al del digestor de planta se refleja en la tabla 6.5.
Tabla 6.5. Variación de la DQO de los fangos del digestor piloto con respecto a los
fangos del digestor de planta.
Variación
Fecha
DQO
(%)
02/07/2013
04/07/2013
09/07/2013
11/07/2013
16/07/2013
Promedio
9,12
9,23
2,76
3,06
2,60
5,22
En cuanto a la DQO, los resultados de los distintos análisis efectuados se
encuentran recogidos en la figura 6.3. En ella se aprecia una evolución similar
para ambos digestores, encontrándose entre 21.900 y 23.600 mg O 2/l para el
digestor piloto y entre 20.050 y 22.900 mg O2/l para el digestor de la EDAR. En
general, la variación media de los valores de la DQO es un 5,22% más alta en
el digestor piloto que en el digestor de la planta.
24000
10,00
9,00
8,00
7,00
22000
6,00
21000
5,00
4,00
20000
3,00
2,00
19000
1,00
18000
0,00
2-jul
5-jul
D.piloto
8-jul
11-jul
14-jul
D.planta
% Variación
Figura 6.3. Representación de la DQO para el digestor piloto y el de planta y su
porcentaje de variación.
70
Variación %
DQO (mg O2/l)
23000
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana

Fangos mixtos
Los resultados de la DQO para los fangos mixtos vienen expresados en la tabla
6.6, y como observamos sus valores son mayores en comparación con los de
los fangos digeridos. Esto es así porque este parámetro mide la cantidad de
materia que es susceptibles de ser oxidada por medios químicos, disueltas o
en suspensión, en la muestra de fango. Por lo que lógicamente este valor será
más bajo después de someter los fangos al proceso de estabilización por
digestión anaerobia.
Tabla 6.6. Resultados de DQO de los fangos mixtos de alimentación.
Fangos mixtos
Fecha
DQO
(mg O2/l)
02/07/2013
56940
04/07/2013
53820
09/07/2013
50740
11/07/2013
49500
16/07/2013
40770
Promedio
50354
6.1.3. Determinación del pH en fangos.
 Fangos digeridos
La tabla 6.7, recoge los valores de pH obtenidos durante la determinación de
este parámetro, para el caso de los fangos digeridos del digestor anaerobio
piloto y del digestor anaerobio de la planta.
Tabla 6.7. Resultados de pH de los fangos digeridos del digestor piloto y del digestor
de la planta.
Fecha
02/07/2013
04/07/2013
09/07/2013
11/07/2013
16/07/2013
Promedio
Fangos digestor
piloto
pH
7,22
7,28
7,32
7,32
7,30
7,29
Fangos digestor
planta
pH
7,33
7,31
7,30
7,31
7,29
7,31
Calculando la variación de los valores analíticos de los pH obtenidos en el
digestor piloto con respecto a los valores del digestor de planta, se obtiene lo
indicado en la tabla 6.8.
71
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
Tabla 6.8. Variación del pH de los fangos del digestor piloto con respecto a los fangos
del digestor de planta.
Variación
Fecha
pH
02/07/2013
-1,50
04/07/2013
-0,41
09/07/2013
0,27
11/07/2013
0,14
16/07/2013
0,14
Promedio
-0,27
La figura 6.4 recoge los valores analíticos obtenidos en la determinación del pH
para el caso del digestor piloto y el de planta. Los valores obtenidos en el
digestor piloto varían entre 7,22 y 7,32, mientras que en el digestor anaerobio
de la planta, estos oscilan entre 7,29 y 7,33. Obteniéndose de media, que los
valores son un 0,27 %, inferiores en el digestor piloto con respecto al de planta.
Por lo que el digestor piloto ha logrado aproximarse al valor del parámetro
registrado en el digestor de la EDAR.
7,34
0,40
7,32
0,20
7,30
0,00
pH
-0,40
7,26
-0,60
7,24
-0,80
7,22
Variación %
-0,20
7,28
-1,00
7,20
-1,20
7,18
-1,40
7,16
-1,60
2-jul
5-jul
D.piloto
8-jul
11-jul
14-jul
D.planta
% Variación
Figura 6.4. Representación del pH para el digestor piloto y para el de planta y su
porcentaje de variación.
 Fangos mixtos
Como muestra la tabla 6.9, el pH de los fangos mixtos es más ácido que el de
los fangos digeridos. Esto es así porque durante la fase de degradación del
acetato por bacterias metanogénicas acetoclásticas, se produce metano y
bicarbonato que genera alcalinidad como observamos en la reacción:
CH3COO- + H2O ↔ HCO3- + CH4
72
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
Tabla 6.9. Resultados de pH de los fangos mixtos de alimentación.
Fangos mixtos
Fecha
pH
02/07/2013
6,14
04/07/2013
6,38
09/07/2013
6,30
11/07/2013
6,26
16/07/2013
6,35
Promedio
6,29
6.1.4. Determinación de los sólidos totales (MS) y volátiles (MV) del fango.
 Fangos digeridos
La siguiente tabla recoge los resultados obtenidos en la determinación de los
parámetros de sólidos volátiles para el caso del digestor piloto y del digestor de
planta.
Tabla 6.10. Resultados de MS y MV de los fangos digeridos del digestor piloto y del
digestor de la EDAR.
Fecha
02/07/2013
04/07/2013
09/07/2013
11/07/2013
16/07/2013
Promedio
Fangos digestor piloto
MS (%)
MV (%)
2,02
67,99
2,03
68,06
2,05
69,46
2,01
68,09
2,02
67,71
2,03
68,26
Fangos digestor planta
MS (%)
MV (%)
1,96
67,47
1,94
67,68
1,97
67,34
1,95
67,80
1,93
68,04
1,95
67,67
Si se calculan las variaciones de los valores analíticos en el digestor piloto con
respecto a los valores del digestor de la planta, se obtiene lo indicado en la
tabla 6.11.
Tabla 6. 11. Variación del MS y MV de los fangos del digestor piloto con respecto a los
fangos del digestor de planta.
Variación
Fecha
MS (%)
02/07/2013
3,03
04/07/2013
4,64
09/07/2013
4,29
11/07/2013
3,10
16/07/2013
4,66
Promedio
3,94
73
MV (%)
0,78
0,56
3,15
0,43
-0,49
0,89
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
2,08
2,06
2,04
5,00
2,02
2,00
3,50
4,50
4,00
3,00
1,98
1,96
1,94
1,92
1,90
1,88
1,86
2,50
2,00
Variación %
MS (%)
La figura 6.5 recoge los valores analíticos obtenidos en la determinación de los
sólidos totales de las muestras de fango digerido, para el caso del digestor
piloto y el de planta. Los valores obtenidos en el digestor piloto oscilan entre
2,01 y 2,05 %, mientras que en el digestor de la planta, estos varían entre 1,93
y 1,97%. Obteniéndose de media, que los valores son un 3,94 %, superiores en
el digestor piloto que en el digestor de la EDAR.
1,50
1,00
0,50
0,00
2-jul
5-jul
D.piloto
8-jul
11-jul
14-jul
D.planta
% Variación
Figura 6.5. Representación de los sólidos totales para el digestor piloto y para el de
planta y su porcentaje de variación.
Para el caso de los sólidos volátiles, los resultados obtenidos en la
determinación se reflejan en la figura 6.6. Para el caso de los valores obtenidos
en el digestor piloto, estos se encuentran en el rango comprendido entre 67,71
y 69,46 %, mientras que los obtenidos para el digestor de planta varían entre el
67,34 y el 68,04 %. En general, la variación media de los valores de los sólidos
volátiles es un 0,89% mayor en el digestor piloto que en digestor de planta. Por
lo que para el caso de este parámetro se ha alcanzado un valor aproximado al
digestor de la planta.
74
70,00
3,50
69,50
3,00
69,00
2,50
2,00
MV (%)
68,50
1,50
68,00
1,00
67,50
0,50
67,00
0,00
66,50
-0,50
66,00
Variación %
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
-1,00
2-jul
5-jul
D.piloto
8-jul
11-jul
14-jul
D.planta
% Variación
Figura 6.6. Representación de los sólidos volátiles para el digestor piloto y para el de
planta y su porcentaje de variación.
 Fangos mixtos
La tabla 6.12 contiene los datos obtenidos en la determinación de los sólidos
totales (materia seca) y de los sólidos volátiles (materia volátil). Ambos
porcentajes son mayores que los obtenidos para fangos digeridos, esto es así
porque durante el proceso de digestión anaerobia, se produce una reducción
de sólidos totales y de los sólidos volátiles en el interior del digestor.
Tabla 6.12. Resultados de sólidos totales y volátiles de los fangos mixtos de
alimentación.
Fangos mixtos
Fecha
MS (%) MV (%)
02/07/2013
3,45
78,87
04/07/2013
3,30
77,83
09/07/2013
3,06
78,35
11/07/2013
3,27
76,26
16/07/2013
2,92
78,57
Promedio
3,20
77,98
75
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
6.1.5. Control del biogás producido.
La tabla 6.13 presenta los valores registrados por el contador de gas, para el
período de estudio. La toma de datos se intentó realizar de manera periódica
recogiendo los registros todos los días a la misma hora, por lo que de este
modo, la producción de biogás, refleja el biogás producido a lo largo de 24
horas.
Tabla 6.13. Control de la producción de biogás por el digestor piloto.
Fecha
Hora
01/07/2013
02/07/2013
03/07/2013
04/07/2013
05/07/2013
06/07/2013
07/07/2013
08/07/2013
09/07/2013
10/07/2013
11/07/2013
12/07/2013
13/07/2013
14/07/2013
15/07/2013
16/07/2013
17/07/2013
Total
Promedio
9:45
10:00
9:50
9:55
9:56
9:00
9:30
9:44
9:44
9:45
9:43
9:47
9:30
9:15
9:50
9:40
9:30
Contador
gas (l)
14.334
15.090
15.962
16.970
17.848
18.806
19.762
20.424
21.132
21.481
22.213
22.828
23.679
24.529
25.380
26.236
27.037
Producción
(l)
756
872
1008
878
958
956
662
708
349
732
615
851
850
851
856
801
12.703
823,6
La figura 6.7 representa la producción de biogás en el periodo considerado. En
ella se observa, que para el día 10 de julio, se produce una disminución
acusada de la producción, debida a una fuga de biogás del sistema.
76
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
1200
Biogás producido (l)
1000
800
600
400
200
17-jul
16-jul
15-jul
14-jul
13-jul
12-jul
11-jul
10-jul
9-jul
8-jul
7-jul
6-jul
5-jul
4-jul
3-jul
2-jul
0
Figura 6.7. Producción de biogás del digestor piloto durante la primera fase de
investigación.
6.2. Segunda fase.
El inicio de la segunda fase ha supuesto también el comienzo en la dosificación
de hidróxido de sodio al 50%, al proceso de digestión anaerobia. También
supone en análisis de un nuevo tipo de fango: fango mixto con NaOH.
Esta fase ha durado un período de 28 días. Cabe comentar, que durante el
transcurso de esta se produjo la siguiente incidencia:

Fallo en la válvula neumática pic de fangos del espesador, lo que ocasionó
que durante el tiempo que duró el fallo, la cámara de mixtos solo recibió
fangos procedentes del biológico, lo que supuso una alimentación del
digestor piloto, con fangos secundarios, en lugar de los fangos mixtos.
Durante el transcurso de esta se analizaron los parámetros que se describirán
a continuación.
77
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
6.2.1. Determinación de la alcalinidad total (TAC) y la acidez volátil (AGV).

Fangos digeridos
La 6.14, muestra los resultados de los parámetros de alcalinidad total y acidez
volátil para las muestras de fango extraídas del digestor anaerobio piloto.
Como se observa se ha producido un incremento progresivo en la alcalinidad
total, dato del todo lógico, ya que estamos aumentando la alcalinidad del
proceso al incrementar la producción de bicarbonato. También se ha registrado
un aumento de la acidez volátil, a la vista de estos valores, suponemos que se
ha incrementado la producción de acetato (ácido graso volátil).
Tabla 6. 14. Resultados TAC y AGV de los fangos digeridos del digestor piloto.
Fangos digestor piloto
Fecha
TAC (mg CaCO3/l)
AGV (mg CaCO3/l)
AGV/TAC
18/07/2013
22/07/2013
23/07/2013
24/07/2013
25/07/2013
26/07/2013
29/07/2013
30/07/2013
31/07/2013
01/08/2013
02/08/2013
05/08/2013
06/08/2013
07/08/2013
08/08/2013
09/08/2013
12/08/2013
13/08/2013
14/08/2013
Promedio
3296
3180
3476
4406
4236
4040
4776
4386
4628
4626
4460
4636
4688
4720
4900
5540
6022
5826
6504
4650
252
220
226
534
496
336
344
402
400
290
246
448
472
270
300
332
704
708
872
413
0,08
0,07
0,07
0,12
0,12
0,08
0,07
0,09
0,09
0,06
0,06
0,10
0,10
0,06
0,06
0,06
0,12
0,12
0,13
0,09
6.2.2. Determinación de la demanda química de oxígeno en fangos (DQO).
 Fangos digeridos
Los resultados para la demanda química de oxígeno para los fangos digeridos
del digestor piloto, como se observa en la tabla 6.15l, se han ido incrementando
conforme hemos añadido el nuevo aditivo al proceso. Esto indica que hay una
mayor cantidad de sustancias susceptibles de ser oxidadas por medios
químicos.
78
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
Tabla 6.15. Resultados de DQO de los fangos digeridos del digestor piloto.
Fangos digestor piloto
DQO
Fecha
(mg O2/l)
18/07/2013
23320
22/07/2013
24250
23/07/2013
24020
24/07/2013
26260
25/07/2013
25440
26/07/2013
23460
29/07/2013
24100
30/07/2013
25270
31/07/2013
21250
01/08/2013
25100
02/08/2013
22360
05/08/2013
24240
06/08/2013
24720
07/08/2013
24770
08/08/2013
21950
09/08/2013
22620
12/08/2013
23230
13/08/2013
31490
14/08/2013
24720
Promedio
24346

Fangos mixtos
La siguiente tabla muestra los resultados obtenidos en la determinación de la
demanda química de oxígeno para
Tabla 6.16. Resultados de DQO de los fangos mixtos para alimentación del digestor
piloto.
Fangos mixtos
Fecha
29/07/2013
30/07/2013
31/07/2013
01/08/2013
02/08/2013
05/08/2013
06/08/2013
07/08/2013
DQO
(mg O2/l)
46420
49330
49260
48690
61470
34250
32970
32440
79
Fangos mixtos
con sosa
DQO
(mg O2/l)
48300
48500
48470
47810
47600
33400
33300
34300
Variación
%
4,05
-1,68
-1,60
-1,81
-22,56
-2,48
1,00
5,73
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
Fecha
08/08/2013
09/08/2013
12/08/2013
13/08/2013
14/08/2013
Promedio
DQO
(mg O2/l)
33880
34630
33270
31490
30120
39863
DQO
(mg O2/l)
41800
39810
36660
48480
29810
41403
%
23,38
14,96
10,19
53,95
-1,03
6,31
La figura 6.8 es una representación gráfica de cómo han ido variando los
valores para el parámetro de demanda química, de ella podemos deducir que
el porcentaje de variación media del parámetro es un 6,31% mayor en los
fangos mixtos con NaOH, que sin ella.
70000
60,00
50,00
60000
DQO (mg O2/l
30,00
40000
20,00
30000
10,00
0,00
20000
Variación %
40,00
50000
-10,00
10000
-20,00
0
-30,00
29-jul 31-jul 2-ago 4-ago 6-ago 8-ago 10-ago 12-ago 14-ago
F.mixtos
F.mixtos + sosa
% Variación
Figura 6.8. Representación de la DQO para el fango mixto y para el fango mixto con
NaOH y su porcentaje de variación.
80
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
6.2.3. Determinación del pH en fangos.

Fangos digeridos
Para el caso del pH, los resultados mostrados en la tabla 6.17, indican un
aumento progresivo del parámetro, lo que es lógico, ya que es una de las
consecuencias de añadir el nuevo aditivo. De hecho, el pH ha sido tomado
como parámetro de control a la hora de dosificar diariamente el NaOH, y para
el cálculo de la dosis inicial.
Tabla 6.17. Resultados de pH de los fangos digeridos del digestor piloto.
Fangos digestor piloto
Fecha
pH
18/07/2013
7,23
22/07/2013
7,26
23/07/2013
7,29
24/07/2013
7,38
25/07/2013
7,48
26/07/2013
7,55
29/07/2013
7,61
30/07/2013
7,63
31/07/2013
7,65
01/08/2013
7,72
02/08/2013
7,70
05/08/2013
7,80
06/08/2013
7,93
07/08/2013
7,95
08/08/2013
7,94
09/08/2013
8,10
12/08/2013
8,47
13/08/2013
8,53
14/08/2013
8,60
Promedio
7,78
 Fangos mixtos
La tabla 6.18, presenta los resultados obtenidos en la determinación del pH
para muestras de fango mixto con NaOH (sosa caustica) y sin NaOH. Como
refleja la tabla, según añadimos el hidróxido sódico al fango mixto, este
experimenta un incremento del pH, en concreto la variación media es de un
44,80 % mayor en el fango con NaOH que sin él.
81
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
Tabla 6.18. Resultados de pH de los fangos mixtos del digestor piloto.
Fangos mixtos
Fecha
29/07/2013
30/07/2013
31/07/2013
01/08/2013
02/08/2013
05/08/2013
06/08/2013
07/08/2013
08/08/2013
09/08/2013
12/08/2013
13/08/2013
14/08/2013
Promedio
pH
6,25
6,27
6,18
6,37
6,33
6,44
6,41
6,37
6,37
6,22
6,38
6,33
6,29
6,32
Fangos mixtos
con sosa
pH
7,80
7,88
7,90
7,98
7,90
7,95
9,54
9,58
9,90
10,55
10,20
10,85
11,01
9,16
Variación
%
24,80
25,68
27,83
25,27
24,80
23,45
48,83
50,39
55,42
69,61
59,87
71,41
75,04
44,80
Como refleja la figura 6.9, según añadimos el hidróxido sódico al fango mixto,
este experimenta un incremento del pH, en concreto la variación media es de
un 44,80 % mayor en el fango con NaOH que sin él.
12,00
80,00
70,00
10,00
pH
50,00
6,00
40,00
30,00
4,00
Variación %
60,00
8,00
20,00
2,00
10,00
0,00
0,00
29-jul 31-jul 2-ago 4-ago 6-ago 8-ago 10-ago 12-ago 14-ago
F.mixtos
F.mixtos + sosa
% Variación
Figura 6.9. Representación del pH para el fango mixto y para el fango mixto con
NaOH y su porcentaje de variación.
82
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
6.2.4. Determinación de los sólidos totales (MS) y volátiles (MV) del fango.

Fangos digeridos
Los resultados de los análisis realizados para determinar, ambos parámetros,
se recogen en la tabla 6.19. Si comparamos el promedio de ambos parámetros,
con el obtenido en la primera fase de investigación, podemos observar un
incremento en el porcentaje de sólidos totales y un descenso en el de sólidos
volátiles. Lo que puede suponer una pequeña disminución en la biomasa del
digestor.
Tabla 6.19. Resultados de MS y MV de los fangos digeridos del digestor piloto.
Fangos digestor piloto
Fecha
MS (%)
MV (%)
18/07/2013
2,16
65,50
22/07/2013
2,18
67,27
23/07/2013
1,99
67,43
24/07/2013
2,34
65,96
25/07/2013
2,18
64,92
26/07/2013
2,15
64,50
29/07/2013
2,21
61,75
30/07/2013
2,21
62,17
31/07/2013
2,22
62,46
01/08/2013
2,13
64,09
02/08/2013
2,18
62,10
05/08/2013
2,23
64,02
06/08/2013
2,32
60,84
07/08/2013
2,24
62,79
08/08/2013
2,27
62,32
09/08/2013
2,12
62,91
12/08/2013
2,19
59,22
13/08/2013
2,48
64,87
14/08/2013
2,20
71,07
Promedio
2,21
64,01
 Fangos mixtos
Los resultados de los análisis realizados para determinar ambos parámetros
para fangos mixtos y fangos mixtos con NaOH, se recogen en la tabla 6.20.
83
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
Tabla 6.20. Resultados de MS y MV de los fangos mixtos para alimentación del
digestor piloto.
Fangos mixtos
Fecha
29/07/2013
30/07/2013
31/07/2013
01/08/2013
02/08/2013
05/08/2013
06/08/2013
07/08/2013
08/08/2013
09/08/2013
12/08/2013
13/08/2013
14/08/2013
Promedio
MS (%)
3,10
3,27
3,29
3,48
3,44
2,66
2,56
2,55
2,64
2,66
2,36
2,48
2,41
2,84
MSV (%)
83,09
79,83
78,89
77,19
77,56
77,43
77,39
77,76
77,53
76,82
76,56
77,15
75,43
77,89
Fangos mixtos con
sosa
MS (%)
MSV (%)
3,25
78,35
3,18
79,11
3,64
77,15
3,50
76,59
3,43
76,88
2,74
73,52
2,71
70,20
2,80
74,50
2,81
69,72
2,99
66,81
2,68
63,89
3,46
56,57
2,48
57,77
3,05
70,85
Variación
MS (%)
-4,84
2,75
-10,64
-0,57
0,29
-3,01
-5,86
-9,80
-6,44
-12,41
-13,56
-39,52
-2,90
-8,19
MV (%)
5,70
0,90
2,21
0,78
0,88
5,05
9,29
4,19
10,07
13,03
16,55
26,68
23,41
9,13
La figura 6.10, recoge los valores analíticos obtenidos en la determinación de
los sólidos totales de las muestras de fango mixto, para el caso de muestra con
el aditivo y sin el aditivo. Obteniéndose de media, que los valores son un 8,19
%, superiores en los fangos mixtos con NaOH que en los mismos sin el aditivo.
4,00
45,00
3,50
40,00
35,00
30,00
2,50
25,00
2,00
20,00
1,50
15,00
Variación %
MS (%)
3,00
10,00
1,00
5,00
0,50
0,00
0,00
-5,00
29-jul 31-jul 2-ago 4-ago 6-ago 8-ago 10-ago 12-ago 14-ago
F.mixtos
F.mixtos + sosa
% Variación
Figura 6.10. Representación de los sólidos totales (MS) para el fango mixto y para el
fango mixto con NaOH y su porcentaje de variación.
84
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
Para el caso de los sólidos volátiles, los resultados obtenidos en la
determinación se reflejan en la figura 6.11. En general, la variación media de
los valores de los sólidos volátiles es un 9,13% mayor en los fangos mixtos que
en los fangos mixtos con aditivo.
90,00
0,00
80,00
MV (%)
60,00
-10,00
50,00
-15,00
40,00
30,00
-20,00
20,00
Variación %
-5,00
70,00
-25,00
10,00
0,00
-30,00
29-jul 31-jul 2-ago 4-ago 6-ago 8-ago 10-ago 12-ago 14-ago
F.mixtos
F.mixtos + sosa
% Variación
Figura 6. 11. Representación de los sólidos volátiles (MV) para el fango mixto y para
el fango mixto con NaOH y su porcentaje de variación.
85
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
6.2.5. Control del biogás.
A continuación, se recogen en la tabla 6.21. los valores registrados por el
contador de gas, para el período de estudio.
Tabla 6. 21. Control de la producción de biogás por el digestor piloto.
Fecha
Hora
18/07/2013
19/07/2013
20/07/2013
21/07/2013
22/07/2013
23/07/2013
24/07/2013
25/07/2013
26/07/2013
27/07/2013
28/07/2013
29/07/2013
30/07/2013
31/07/2013
01/08/2013
02/08/2013
03/08/2013
04/08/2013
05/08/2013
06/08/2013
07/08/2013
08/08/2013
09/08/2013
10/08/2013
11/08/2013
12/08/2013
13/08/2013
14/08/2013
9:40
9:35
9:15
10:15
9:45
9:35
9:40
9:30
9:34
9:40
9:40
9:33
9:35
9:36
9:30
9:35
9:30
9:40
9:35
9:45
11:05
9:40
9:35
8:30
10:00
9:40
9:50
9:50
Contador Producción
gas (l)
(l)
27.778
741
28.480
702
29.152
672
29.840
688
30.445
605
31.111
666
31.727
616
32.346
619
32.816
470
33.298
482
33.716
418
34.131
415
34.621
490
35.052
431
35.745
693
36.522
777
37.263
741
38.015
752
38.693
678
39.162
469
39.599
437
40.085
486
40.505
420
40.734
229
40.901
167
41040
139
41156
116
41239
83
Total
Promedio
26.905
611,5
V. NaOH
(l)
0,154
0,154
0,154
0,154
0,154
0,770
0,770
0,770
0,770
0,770
0,770
0,770
0,770
0,770
0,770
0,770
0,770
0,770
0,770
1,540
1,540
1,540
1,540
1,540
1,540
1,540
1,540
0,154
24
0,9
La figura 6.12, representa la producción de biogás en el periodo considerado.
En ella se observan, varias disminuciones en la producción de biogás, la
primera va desde el 26 de julio al 31 de julio, período de tiempo, que coincide
con la incidencia en la válvula pic, por lo que este descenso es debido a que el
digestor solo fue alimentado con fangos secundarios.
86
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
La siguiente disminución va desde del 6 de agosto hasta el 14 de agosto, esta
es debida al incremento excesivo en el pH del proceso, lo que suponemos que
ha provocado una inhibición de las bacterias metanogénicas encargadas de la
producción de metano, lo que ha afectado a la producción total de biogás por el
digestor piloto.
900
800
Biogás producido (l)
700
600
500
400
300
200
100
0
18-jul 21-jul 24-jul 27-jul 30-jul 2-ago 5-ago 8-ago 11-ago 14-ago
Figura 6.12. Producción de biogás del digestor piloto durante la segunda fase de
investigación.
6.2.6. Determinación de la composición del biogás.
Procediendo según la metodología descrita en el apartado 5.5 de la presente
memoria, se midió el contenido de dióxido de carbono y de sulfuro de
hidrógeno contenido en el biogás, producido por el digestor piloto. Dada la
imposibilidad de determinar por este método el contenido en metano,
consideramos que el biogás se compone principalmente de tres compuestos:
sulfuro de hidrógeno, dióxido de carbono y metano, despreciando los otros
compuestos. Por lo que midiendo el contenido de los otros dos gases y
teniendo en cuenta el volumen de biogás producido, determinaremos
aproximadamente, el porcentaje de metano contenido en el biogás.
Teniendo en cuenta lo anterior, la composición del biogás producido por el
digestor piloto, viene reflejada en la tabla 6.22.
87
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
Tabla 6. 22. Composición del biogás producido.
Fecha
H2S (% )
CO2 (%)
CH4 (%)
03/07/2013
05/07/2013
09/07/2013
12/07/2013
16/07/2013
18/07/2013
22/07/2013
23/07/2013
24/07/2013
25/07/2013
26/07/2013
29/07/2013
30/07/2013
31/07/2013
01/08/2013
02/08/2013
05/08/2013
06/08/2013
07/08/2013
08/08/2013
09/08/2013
12/08/2013
13/08/2013
Promedio
0,93
1,00
0,79
1,15
1,08
1,00
0,93
0,86
0,72
0,65
0,65
0,43
0,50
0,43
0,57
0,50
0,57
0,43
0,36
0,36
0,29
0,14
0,07
0,63
25
20
22
20
18
20
20
15
15
15
15
10
10
10
10
10
10
10
5
5
5
3
0
13
73,56
79,00
62,26
55,23
78,89
66,67
54,48
63,82
59,13
59,47
45,15
42,34
49,95
43,97
70,59
79,20
69,06
47,85
47,10
52,39
45,31
15,33
13,20
55,39
88
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
7. CONCLUSIONES.
Del estudio realizado podemos sacar las siguientes conclusiones:

A la vista de los resultados presentados para la primera fase del estudio,
podemos concluir que el objetivo perseguido en esta fase se ha logrado. El
digestor anaerobio piloto ha conseguido alcanzar la estabilidad y trabajar
dentro del rango de parámetros que definen el funcionamiento del digestor
anaerobio de la EDAR.

Observando los resultados obtenidos para la segunda fase del estudio,
podemos concluir que el incremento de pH mediante la adición de NaOH,
ha desestabilizado el proceso de digestión anaerobia. Lo que ha afectado
negativamente al rendimiento del mismo, lo que ha supuesto la bajada
acusada en la producción de biogás y en la calidad del mismo.

Estudiando los datos obtenidos, en concreto los de pH, podemos suponer
que el rango de funcionamiento de las bacterias metanogénicas, del
digestor anaerobio piloto, oscila entre los valores 7,23 y 7,80. Ya que es en
este rango donde se detectan mayores volúmenes de producción de
biogás.
89
Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del
biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana
8. BIBLIOGRAFíA.
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