Digestión Anaeróbica: Procesos, Etapas, Factores y Reactores

Biología ambiental, , ,

La digestión anaeróbica es un proceso biológico complejo que descompone la materia orgánica en ausencia de oxígeno. Este proceso es fundamental en el tratamiento de aguas residuales y en la producción de biogás, una fuente de energía renovable.

Etapas de la Digestión Anaeróbica

La digestión anaeróbica se lleva a cabo en varias etapas, cada una realizada por diferentes grupos de microorganismos:

  1. Hidrólisis: Los polisacáridos, los lípidos y las proteínas son reducidas a moléculas más simples, por medio de la acción de enzimas extracelulares de bacterias anaerobias y facultativas.

  2. Fermentación: Los compuestos experimentan el proceso de fermentación, originando principalmente acetato, propionato y butirato, y en menor proporción, CO2 e hidrógeno.

  3. Acetogénesis:

    • Bacterias homoacetogénicas: formación de acetato como único metabolito, a partir de la fermentación de azúcares, formato o la mezcla gaseosa H2-CO2.
    • Bacterias acetogénicas: formación de acetato, CO2 e hidrógeno, a partir de alcoholes, ácidos grasos volátiles y algunos compuestos aromáticos.

  4. Metanogénesis: Se caracteriza por estar realizada por bacterias estrictamente anaerobias y son responsables de la formación de metano a partir de ácido acético, hidrógeno y CO2, y marginalmente ácido fórmico.

    • Bacterias metanogénicas hidrogenofílicas: Utilizan el hidrógeno producido para reducir el CO2 en CH4
    • Bacterias metanogénicas acetoclásticas: Transforman el acetato en CH4. Esta transformación contribuye con el 70% de la producción de metano en los digestores.

Parámetros de Control en la Digestión Anaeróbica

Varios parámetros deben ser controlados para asegurar una digestión anaeróbica eficiente:

  • Temperatura: Tiene un efecto relevante en el desarrollo de los microorganismos y, por lo tanto, en la producción de biogás. Dependiendo del rango de temperatura en el que actúan, las bacterias se clasifican en:

    • Psicrofílicas: 15°C
    • Mesofílicas: 37°C
    • Termofílicas: 55°C

  • pH: La digestión anaerobia se lleva a cabo en un intervalo de pH óptimo entre 7.0 y 7.2. Algunas causas del descenso del pH son:

    • Aumento repentino de la carga
    • Presencia de elementos tóxicos en la alimentación
    • Cambio súbito de la temperatura

  • Ácidos Grasos Volátiles (AGV): Los AGV son un indicador de la actividad metabólica de las bacterias formadoras de ácidos. En condiciones normales de operación, los AGV son inferiores a 100 mg/L. Un aumento de los AGV, se puede deber a:

    • Sobrecarga en la alimentación o inhibición de las metanobacterias
    • Desbalance entre bacterias metanogénicas y acetogénicas
    • Presencia de sustancias tóxicas para las bacterias metanogénicas.

  • Alcalinidad: Es una medida de la capacidad tampón del contenido de un digestor anaerobio.

    • Operación Normal: Inferior a 0,3
    • Desestabilización: Valor superior a 0,3 – 0,4

  • Amoníaco:

    • pH neutro, concentraciones de 200-300 mg/L de nitrógeno amoniacal no disociado (NH3), se considera inhibitoria para la metanogénesis
    • A pH alcalinos, concentraciones de 1500-3000 mg/L de NH4–, pueden ser inhibitorias para la metanogénesis
    • Concentraciones superiores a 3000 mg/L, resultan ser fuertemente inhibitorias, independiente del pH

  • Ácido Sulfhídrico:

    • Concentraciones de 100 mg/L de H2S, inhiben fuertemente la producción de metano
    • Concentraciones de H2S superiores a 200 mg/L, se consideran fuertemente inhibitorias para la digestión anaerobia
    • Concentraciones de 26 – 322 mg/L de H2S, inhiben las bacterias acetoclásticas
    • Concentraciones de 64 – 96 mg/L de H2S, inhiben las bacterias hidrogenofílicas

  • Sulfato:

    • Causa una disminución de la actividad metanogénica, por la competencia por el hidrógeno para producir CH4 o H2S
    • Se acepta concentraciones de sulfato, hasta un máximo de 1/10 de la concentración de DQO

  • Nutrientes: La digestión anaerobia requiere ciertos nutrientes inorgánicos para el crecimiento de la biomasa (C,N,P,S,Co,Fe,Ni y Mo). Para que el reactor opere en forma adecuada, los nutrientes se deben encontrar en ciertas proporciones: DQO:N:P:S=400:5:1:0,2

Reactores Anaeróbicos

Existen varios tipos de reactores anaeróbicos utilizados en el tratamiento de aguas residuales:

Reactores de Primera Generación

  • Tanques Sépticos: Es una unidad construida “in situ” que desempeña las funciones de sedimentación y remoción de material flotante, además de efectuarse la digestión anaerobia de los lodos sedimentados. La altura del reactor depende del Vr, siendo ésta mayor para volúmenes mayores, fluctuando entre 1,20 y 2,80 m.

  • Lagunas Anaerobias (LAN): Es el reactor más sencillo que existe y generalmente no está cubierta, escapándose el biogás a la atmósfera. Se construyen generalmente con el objetivo de reducir la carga orgánica sedimentable; opera con TRH entre 5 y 30 d y con cargas orgánicas superficiales entre 2000 y 5000 Kg DBO/há/d y volumétricas (VCO) entre 1 – 2 Kg DQO/m3/d.

  • Reactor de Contacto Anaerobio (RCA): El proceso de contacto presenta ventajas, para tratar aguas residuales con alta concentración de calcio en solución en comparación con reactores de alta carga. Para lograr una adecuada separación sólido-líquido en el sedimentador, es adecuado utilizar un sistema de desgasificación que permita eliminar el efecto negativo del gas que permanece en el líquido.

    • Desventajas:
      1. Bajas cargas orgánicas (6 Kg DQO/m3*día)
      2. Grandes TR y volúmenes de reactor
      3. Alta dependencia de la difícil sedimentación del lodo anaerobio (necesita desgasificador)
      4. Costos energéticos asociados al mezclado y la recirculación
      5. Operación relativamente delicada
    • Ventajas:
      1. Soporta aguas con SS (estabiliza la fracción degradable)
      2. Puede admitir aguas que forman precipitados
      3. Soporta picos orgánicos
      4. Arranque rápido con inóculo adecuado
      5. Se puede incorporar CAP (carbón activado en polvo) para tratar aguas con compuestos inhibidores

  • UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket):

    • Ventajas:
      1. Soporta altas cargas (30 Kg DQO / m3*día)
      2. Bajo requerimiento de energía
      3. No requiere medio de soporte
      4. Construcción relativamente simple
      5. Con inóculo apropiado puede arrancar en forma inmediata
      6. Aplicable a pequeña y gran escala
      7. Operación comparativamente simple
      8. Proceso ampliamente probado
    • Desventajas:
      1. La granulación es lenta y no necesariamente controlable
      2. No todas las aguas favorecen la granulación
      3. Requerimientos de inóculo de determinadas características
      4. Sensible a sólidos suspendidos y a grasas y aceites en el influente
      5. Sensible a aguas que forman precipitados
      6. Riesgo de flotación de los granos durante rearranques

  • EGSB (Expanded Granular Sludge Bed): Las velocidades que se obtienen pueden estar por encima de 5 a 6 m/h, llegando en ocasiones hasta 10 m/h.

  • RALF (Reactor Anaeróbico de Lecho Fijo):

    • Ventajas:
      1. Altas cargas (25 Kg DQO/m3*día)
      2. Con recirculación es resistente a picos orgánicos o tóxicos
      3. Construcción simple
      4. Aplicable a pequeña y mediana escala
      5. Rápidos rearranques sin problemas
      6. Operación simple
      7. Puede operarse como flujo descendente o ascendente (versatilidad)
    • Desventajas:
      1. Arranque lento aún contando con un inóculo adecuado
      2. Riesgo de tamponamiento, sobre todo con soporte de piedra
      3. Sensible a sólidos suspendidos en el influente
      4. Sensible a aguas que forman precipitados (sobretodo en régimen de flujo ascendente)
      5. Alto costo de material de soporte (plástico, cerámicas, etc.)
      6. Costos mayores en tanque cuando se utiliza piedra
      7. Presencia de sólidos suspendidos en el efluente

  • RALEF (Reactor Anaeróbico de Lecho Fluidizado):

    • Ventajas:
      1. Soporta muy altas cargas orgánicas (40 Kg DQO/m3*día)
      2. Tiempos de retención hidráulica muy cortos
      3. Soporta aguas con sólidos suspendidos (aunque no los remueve)
      4. Con soporte absorbente GAC (carbón activado granular) puede aplicarse a desechos inhibidores
      5. Soporta picos orgánicos moderados
      6. Instalaciones compactas
    • Desventajas:
      1. Arranque lento y difícil
      2. Requerimientos energéticos importantes debido a la fluidificación por bombeo
      3. Control complejo del proceso y riesgos de perderlo rápidamente
      4. Difícil e incierto su escalamiento
      5. Presencia de sólidos en el efluente
      6. En caso de soportes plásticos o GAC, altos costos asociados
      7. Poca experiencia a escala real
      8. No soporta períodos prolongados sin alimentación

Tratamiento Terciario

Desinfección

  • Cloración
  • Ozonación
  • UV

Eliminación de Nutrientes

  • Nitrógeno
  • Fósforo

Elementos Tóxicos

  • Metales
  • Orgánicos recalcitrantes

Cloración

  • Cloración simple: Se define como la aplicación de cloro al agua que no recibe otro tratamiento. Se realiza en acueductos y cañerías de aducción.
  • Precloración: Aplicación de cloro antes de cualquier otro tratamiento. Mejora la coagulación, evita o retarda la descomposición de la materia orgánica, controla el crecimiento de algas (eliminando olores y sabores) y m.o.
  • Postcloración: Aplicación de cloro después de todo tratamiento. Generalmente se aplica después de la filtración.
  • Recloración: Aplicación de cloro en cualquier punto del sistema de distribución como por ejemplo las líneas troncales largas, estanques de acumulación, estaciones de bombeo. Esto se hace con el objeto de asegurar la dosis de cloro residual apropiada para evitar posibles recontaminaciones
  • Decloración: Eliminación del cloro residual combinado con SO2, carbón activo, Na2SO3 y Na2S2O5

Ozonación

La ozonación permite la eliminación de compuestos tanto orgánicos como inorgánicos, reduciéndose el COT, olor, color, sabor y turbidez de las aguas, así como compuestos refractarios (sustancias tóxicas y compuestos farmacéuticos).

Luz Ultravioleta

Su efectividad depende también de la intensidad de la irradiación. Las lámparas industriales de luz UV usualmente proporcionan intensidad suficiente para la destrucción de bacterias y virus; sin embargo, no son suficientes para la remoción de especies más resistentes, como esporas bacterianas y protozoos.

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