PRINCIPIOS DEL TRATAMIENTO BIOLOGICO ANAEROBIO

PRINCIPIOS DEL TRATAMIENTO BIOLOGICO ANAEROBIO

Fuente:. Diaz Baez, MC. Catedra Int. Salud Publica y ambiental
Fuente: Diaz Baez, MC. Catedra Int. Salud Publica y ambiental. UNINACIONAL . Bogota DC Junio- Julio 2008

CONTENIDO DIGESTIÓN ANAEROBIA
OBJETIVO CONCEPTOS REQUISITOS NORMATIVOS (NTC GP1000:2009) METODOLOGÍA ACCIONES Y COMPROMISOS La Digestión Anaerobia es el proceso fermentativo que ocurre en el tratamiento anaerobio de las aguas residuales. El proceso se caracteriza por la conversión de la materia orgánica a metano y de CO2, en ausencia de oxígeno y con la interacción de diferentes poblaciones bacterianas Figura 1. Degradación Biológica de la Materia Orgánica

En el campo del tratamiento de las aguas residuales, la contaminación orgánica es evaluada a través de la DQO (demanda química de oxígeno), la cual mide básicamente la concentración de materia orgánica. La forma de apreciar lo que ocurre con la materia orgánica en el tratamiento anaerobio de aguas residuales, es comparando su balance de DQO con el del tratamiento aerobio

La digestión anaerobia es un proceso de transformación y no de destrucción de la materia orgánica.
No hay oxidación, se tiene que la DQO teórica del metano equivale a la mayor parte de la DQO de la materia orgánica digerida (90 a 97%), una mínima parte de la DQO es convertida en lodo (3 a 10%). En las reacciones bioquímicas que ocurren en la digestión anaerobia, solo una pequeña parte de la energía libre es liberada, mientras que la mayor parte de esa energía permanece como energía química en el metano producido.

Tratamiento Aerobio: En este tipo de tratamiento se llevan a cabo procesos catabólicos oxidativos. Como requiere la presencia de un oxidante de la materia orgánica y normalmente este no esta presente en las aguas residuales, él requiere ser introducido artificialmente. La forma más conveniente de introducir un oxidante es por la disolución del oxígeno de la atmósfera, utilizando la aireación mecánica, lo que implica altos costos operacionales del sistema de tratamiento. Adicionalmente la mayor parte de la DQO de la materia orgánica es convertida en lodo, que cuenta con un alto contenido de material vivo que debe ser estabilizado.

DEGRADACIÓN ANAEROBIA DE LA MATERIA ORGÁNICA
Hidrólisis Grupo I: bacterias hidrolíticas 2. Acidogénesis Grupo I: bacterias fermentativas 3. Acetogénesis Grupo II: bacterias acetogénicas Metanogénesis Grupo III: bacterias metanogénicas

Etapas de la digestión anaerobia
Fuente: Madigan (2000); Van Haandel y Lettinga (1994)

Las diferentes etapas del tratamiento anaerobio están asociadas con los diferentes grupos de bacterias Bacterias Fermentativas Baterías Productoras de Acido Facultativas y estrictamente Anaerobias Bacterias Acetogénicas Anaerobias Bacterias Metanogénicas Estrictamente Anaerobias

La fermentación ácida tiende a bajar el pH, debido a la producción de ácidos
grasos volátiles (AGVs) y otros productos intermediarios, mientras que la metanogénesis solo se desarrolla cuando el pH esta cercano al neutro

La tasa de remoción de AGVs a través de la metanogénesis debe acompañar la tasa de producción de AGVs, sino se da la inestabilidad: Baja significativamente el pH del sistema, causando la inhibición de las bacterias metanogénicas. Esta “Acidificación” del sistema es una de las principales causas de falla operacional en los reactores anaerobios. Se puede evitar cuando se garantiza un equilibrio entre la fermentación ácida y la fermentación metanogénica, a través de mantener una alta capacidad metanogénica y una buena capacidad buffer en el sistema (van Haandel, 1994)

MICROBIOLOGÍA DE LA DIGESTIÓN ANAEROBIA
Grupo I: Bacterias Hidrolíticas – Fermentativas Anaerobias facultativas :Enterobacteriaceae , además los géneros Bacillus, Peptostreptococcus,Propionibacterium, Bacteroides, Micrococcus y Clostridium Grupo II: Bacterias Acetogénicas “organismos acetógenos productores obligados de hidrógeno (OHPA)” Syntrophomonas sapovorans Syntrophobacter wolinii Syntromonas wolfei Syntrophospara bryantii Syntrophus buswellii

Dentro del grupo de acetógenos existe un grupo de bacterias conocidas como “bacterias homoacetogénicas” Clostridium aceticum, Clostridium formicoaceticum y Acetobacterium wooddi Grupo III: Bacterias Metanogénicas Archeaea

Con base en el tipo de sustrato utilizado, las bacterias metanogénicas se subdividen en tres grupos:
Grupo 1: utiliza como fuente de energía H2 formato y ciertos alcoholes, el CO2 es el aceptor final de electrones el cual es reducido a metano; Grupo 2: utiliza una amplia variedad de compuestos que tienen el grupo metilo. Algunas de las moléculas son oxidadas a CO2, el cual actúa con aceptor final de electrones y se reduce directamente a metano; Grupo 3: aunque la mayor parte del metano que se genera en la naturaleza proviene del rompimiento del acetato, la habilidad de catabolizar este sustrato esta limitada a los géneros: Methanosarcina y Methanosaeta (Methanotrix). Es frecuente encontrar en reactores anaerobios, una competencia por el acetato entre estos dos géneros, sin embargo, las bajas concentraciones de acetato que usualmente predominan al interior de los reactores favorece el crecimiento de las Methanosaeta

METABOLISMO MICROBIANO
La digestión anaerobia es un proceso biológico natural y se desarrolla en ausencia de oxigeno molecular, en él las poblaciones bacterianas interactúan estrechamente para promover la degradación estable y auto regulable de la materia orgánica El propósito de la digestión es reducir el contenido volátil y los sólidos a aproximadamente un 70% de los valores originales

ETAPAS DEL metabolismo anaeróbico
Hidrólisis : Debido a que los mecanismos de transporte celular no permite el paso de moléculas de gran peso molecular las bacterias han desarrollado una estrategia para transformar las sustancias de gran tamaño y peso en sustancias más simples y solubles y de esta manera poder incorporar el material nutritivo a sus células. Se lleva acabo principalmente por bacterias del género Clostridium

Acidogenésis : Todas las unidades sencillas sufren una primera transformación (fermentación) a partir de lo cual se obtiene acetato, formiato, CO2 y H2 además, etanol succinato, propionato, y butirato. Acetogénesis : Algunos de los productos originados son transformados posteriormente a acetato, además ocurre una fermentación de ácidos orgánicos y alcoholes hasta CO2 y H2.

Metanogénesis : Finalmente ocurre la conversión de acetato, H2 y CO2 en CH4 por bacterias metanogénicas

factores que pueden afectar la hidrólisis
El pH y las altas Temperaturas. pH por debajo de 5.5 pueden interrumpir el proceso (Loll, 1984). el nivel degradación de ácidos de cadena larga y de cadena corta constituyen la tasa limitante en el proceso.

factores que pueden afectar la metanogenesis
La inhibición del proceso puede ser ocasionada por niveles altos de algunos substratos como amoniaco y tóxicos como Cianuro. Sin embargo también se ha observado que a niveles bajos de estos compuestos los microorganismos pueden adaptarse con cierta facilidad. La carga orgánica o cantidad de materia orgánica disponible para los organismos puede llegar a niveles tan bajos que no sea suficiente para mantener la dinámica de crecimiento normal de las bacterias Los detergentes y elementos clorados

CONVERSIÓN DE METANO A DQO
CH4 + 2O → CO2 + H2O Peso Molecular (PM) CH4 = 16 gr Peso Molecular (PM) 2O2 = 64 gr 64 gr/16gr = 4gr DQO/gr CH4 = 1gr DQO/0.25 CH4 DENSIDAD CH4 A CONDICIONES NORMALES DE: P = 1ATm y T = 0ºC d= 714 gr/m3 (0.25 gr CH4/gr DQO)x{1/(714 gr CH4/m3 CH4)} = (3.5 x m3 CH4/gr DQO) x (1000 litros/1 m3)= 0.35 Litros CH4 /gr DQO

CONVERSIÓN DE METANO A DQO (1)
CONDICIONES NORMALES T = 0ºC = 273 ºK Presión (P) = 760 mmHg = 1013 mbar = 1 AT 1 MOL GAS = 22.4 Lts CONDICIONES EN LA CIUAD DE CALI T = 25ºC = 298 ºK P = 660 mmHg LEY DE GASES IDEALES PV = NRT P = PRESIÓN T = TEMPERATURA N = No MOLES Entonces De esto tenemos que: Ahora ViPiTo = VoPoTi Vi = Po/PixTi/ ToxVo Vi = 760/660x298/273x0.35

CONVERSIÓN DE METANO A DQO (2)
Vi = Lts CH4/gr DQO ≈ 0.44 Lts CH4/gr DQO

VENTAJAS BAJA PRODUCCIÓN DE SÓLIDOS CERCA DE 2 A 8 VECES INFERIOR AL QUE OCURRE EN LOS TRATAMIENTOS AEROBIOS. BAJO CONSUMO DE ENERGÍA, BAJOS COSTOS OPERACIONALES. BAJA DEMANDA DE AREA. BAJOS COSTOS DE IMPLEMENTACIÓN DEL GRADIENTE DE 20 A 30 DOLARES POR …. PROCUCCIÓN DE METANO, COMBUSTIBLE DE ALTO PODER CALORIFICO. Fuente: Adapatado de Chen Chero y Campos 1995, Von Sepling 1995, Lettings et al 1996

VENTAJAS POSIBILIDAD DE PRESERVACIÓN DE BIOMASA SIN ALIMENTACIÓN DEL REACTOR POR VARIOS MESES. TOLERANCIA A ELEVADAS CARGAS ORGÁNICAS. APLICABILIDAD EN PEQUEÑAS Y GRANDES ESCALAS. BAJO CONSUMO DE NUTRIENTES. Fuente: Adapatado de Chen Chero y Campos 1995, Von Sepling 1995, Lettings et al 1996

DESVENTAJAS REMOCIÓN DE NUTRIENTES, FÓSFORO Y PATÓGENOS BAJOS.
PRODUCCIÓN DE EFLUENTES CON CALIDAD INSUFICIENTE PARA ATENDER LA NECESIDAD AMBIENTAL. REQUIERE POSTRATAMIENTO. POSIBILIDADES DE DESESTABILIZACIÓN DEBIDO A CHOQUES DE CARGA ORGÁNICA E HIDRÁULICA POR PRESENCIA DE COMPUESTOS TÓXICOS EN AUSENCIAS DE NUTRIENTES. Fuente: Adapatado de Chen Chero y Campos 1995, Von Sepling 1995, Lettings et al 1996

DESVENTAJAS BIOQUIMICA Y MICROBIOLOGICA DE LA DISGESTIÓN ANAEROBIA SON COMPLEJAS Y NECESITAN SER MÁS ESTUDIADAS. EL ARRANQUE DEL PROCESO PUEDE SER LETAL EN AUSENCIA DE LODO ADAPTADO. POSIBILIDAD DE GENERACIÓN DE MALOS OLORES Y PROBLEMAS DE CORROSIÓN PUEDEN SER CONTROLADOS. Fuente: Adapatado de Chen Chero y Campos 1995, Von Sepling 1995, Lettings et al 1996

DESVENTAJA BAJA VELOCIDAD DE CRECIMIENTO Y ACTIVIDAD DE LAS BACTERIAS AEROBICAS. LARGOS PERIODOS DE TIEMPO PARA EL ARRANQUE DE LOS SISTEMAS DE TRATAMIENTO. LA TASA DE CRECIMIENTO DE LAS BACTERIAS FERMENTADORAS ES MAS RAPIDA QUE LAS METANOGENICAS- ACETOCLASTICAS. Fuente: Adapatado de Chen Chero y Campos 1995, Von Sepling 1995, Lettings et al 1996

MATERIALES TÓXICOS Y SU (CONTROL)
1- CUALQUIER ELEMENTO PRESENTE EN CONCENTRACIONES SUFICIENTEMENTE ELEVADAS PUEDEN SER TÓXICOS. (MAYORES TIEMPOS DE RETENCIÓN, DILUCIÓN DE LA TOXICIDAD Y FORMACIÓN DE COMPLEJOS INSOLUBLES Y SU PRECIPITACIÓN). 2- TOXICIDAD POR SALES, ASOCIADAS POR LOS CATIONES O ANIONES DE LA SAL. (REDUCCIÓN CON UN ION ANTAGÓNICO) 3- TOXICIDAD POR AMONIA MAYOR QUE 150 mg/l 4- TOXICIDAD POR SULFATOS, POR ENCIMA DE 200 mg/l 5- TOXINAS INORGÁNICAS COMO ARSENICO, CROMO Y ZINC

TRATAMIENTO ANAEROBIO
PROCESOS METABOLICOS MENOS EFICIENTES QUE EL METABOLISMO AEROBICO, LIBERARAN MATERIA ORGANICA RICA EN ENERGIA DEL SUSTRATO. LA VELOCIDAD DE CRECIMIENTO Y ACTIVIDAD DE LAS BACTERIAS ANAEROBICAS SON MENORES.

LOS COMPUESTOS ORGANICOS (DQO) SON DEGREDADOS (DIGERIDOS) POR LA COMBINACION DE 4 GRANDES TIPOS DE BACTERIAS ANAEROBICAS. LAS BACTERIAS FERMENTATIVAS PRODUCEN LAS ENZIMAS Y LAS EXCRETAN FUERA DE LA CELULA CUANDO ESTAN EN MONOMEROS PUEDEN ATRAVESAR SU MEMBRANA CELULAR .

EL C2 Y H2 , PROVIENEN DE LA FERMENTACION Y DE LA ACETOGENESIS
EL C2 Y H2 , PROVIENEN DE LA FERMENTACION Y DE LA ACETOGENESIS . SON SUSTRATOS METANOGENICOS: LAS CELULAS MATABOLIZA A CH4 METANOGENICAS AUTOTROFICAS (30%) METANOGENICAS ACETOCLASTICAS (70%)

INHIBICION DE LA METANOGENESIS POR LA FERMENTACION
TOXICIDAD DE AGV. PH = 7 – 8 ACIDO ORGANICO ESTAN PRESENTE EN SU MAYORIA EN FORMA ILIMITADA (NO TOXICA). PH BAJO: AGV DISOCIADO (TOXICO) 50% PH =5: AGV DISOCIADO 50% CONCENTRACION C2 Y C3 NO DISOCIADO DE 16 Y 6 mg DQO/C, CAUSA 50% INHIBICION. LA TOXICIDAD DE LOS AGV DEPENDE DEL PH POR ESTO HAY QUE CONTROLARLO CON CAL.

FACTORES AMBIENTALES PH MENOR QUE 6 Y AGV NO IONIZADOR INHIBEN BACTERIAS METANOGENICAS. PH=4.5 BACTERIAS FERMENTATIVAS CUANDO LA CAPACIDAD BUFFER NO ACTUA Y HAY ALTOS AGV EL REACTOR SERA DE CAIDIFICACION.

TEMPERATURA PSICROFILICAS (0 – 20 ºC) MESOFILICAS (20 – 40 ºC)
TERMIFILICAS (45 – 65 ºC) POBLACION DISMINUYE 50% POR CADA 10ºC DE DESCENSO POR DEBAJO DE 35ºC, CUANDO LA TEMPERATURA BAJA LA CARGA DEBE DISMINUIR.

NUTRIENTES LOS AFLUENTES DE INDUSTRIAS PAPELERAS, ALMIDON, Y ALCOHOL PUEDEN TENER DEFICIENCIAS EN MICRONUTRIENTES ESENCIALES COMO N, P, S. EL CRECIMIENTO ESTA LIMITADO. LAS AGUAS RESIDUALES DOMESTICAS POSEEN ESTOS MICRONUTRIENTES.

ESTAPAS LIMITANTES UTILIACION DQOBD (BIODEGRADABLE)/SST
CUANDO LA DQOBD = SUSTRATO FACIL/ BIODEGRADABLES. LA ETAPA LIMITANTE ES LA METANOGENESIS; LAS BACTERIAS FERMENTATIVAS 8 VECES MAS RAPIDO QUE LA METANOGENESIS. SE ACUMULAN AGV SI LA VELOCIDAD DE CARGA EXEDE LA CAPACIDAD METANOGENICA (PH BAJO Y AGV ALTOS PUEDE SER TOXICO)

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