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7/14/2019 Review UASB
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Parámetros de Control y Operación del Digestor Anaerobio de Flujo Ascendente
Silvia Rojas-Caro
Escuela de Ingeniería Bioquímica, Facultad de Ingeniería, Pontificia Universidad
Católica de Valparaíso, Valparaíso, Chile.
Correspondencia a: Silvia Rojas Caro. Escuela de Ingeniería Bioquímica, Facultad de
Ingeniería, Pontificia Universidad Católica de Valparaíso. Avenida Brasil 2147,
Valparaíso, Chile. Teléfono: 56-32-2273641; Fax: 56-32-2273803. E-mail:
srojas@udec.cl
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Resumen
La digestión anaerobia es considerada uno de los métodos más eficientes en el
tratamiento de efluentes de distinta naturaleza. El digestor anaerobio de flujo
ascendente (UASB) es considerado como el sistema de digestión anaeróbica más
popular en el cual es posible tratar aguas residuales con altas cargas de materia
orgánica. Sin embargo, para operar correctamente este tipo de sistemas y lograr los
niveles de eficiencia deseados, es necesario comprender los procesos biológicos
involucrados en la digestión anaeróbica, así como también los parámetros de control y
operación del sistema UASB. Este artículo de revisión describe los principales procesos
biológicos llevados a cabo en un sistema de digestión anaeróbica UASB y describe
además, los principales parámetros de funcionamiento del reactor como pH,
temperatura, velocidad de carga orgánica, tiempo de retención hidráulico, ácidos grasos
volátiles, alcalinidad, DBO, DQO y producción de biogás.
Keywords: reactor UASB, tratamiento anaeróbico de aguas residuales, biogás, gránulos,
parámetros operación UASB.
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1. INTRODUCCIÓN
La rápida expansión de países en vías de desarrollo ha traído consigo graves problemas
en la recolección, tratamiento y disposición de aguas residuales. Esta situación da lugar
a serios problemas ambientales debido al mal manejo de residuos municipales,
industriales y agrícolas que se descomponen en el medio ambiente, generando
contaminación a gran escala en tierras, agua y aire. Estos residuos no sólo representan
una amenaza para el medio ambiente, sino que además poseen un potencial valor
energético, el cual no ha sido suficientemente aprovechado, a pesar de su bajo costo y
abundancia (Figura 1). Para evitar la contaminación de recursos hídricos por desechos
domésticos e industriales, es necesario utilizar un tratamiento adecuado. En el caso de
aguas residuales con alto contenido de material orgánico, existen dos alternativas de
tratamiento basadas en procesos biológicos: los procesos aeróbicos y los procesos
anaeróbicos. Los procesos anaeróbicos convierten los compuestos orgánicos de las
aguas residuales en pequeñas cantidades de lodos, son de fácil operación, bajo costo y
producen gran cantidad de biogás [1], mientras que los procesos aeróbicos necesitan
aportes externos de energía para la aireación del reactor [2]. Los procesos anaeróbicos
son llevados a cabo por microorganismos que tienen una cadena de transferencia de
electrones cuyo aceptor final no es el oxígeno. La oxidación de materia orgánica en la
respiración anaeróbica va acoplada a la reducción de otros aceptores de electrones como
el sulfato (reducción de sulfato), hierro férrico (reducción de hierro), nitrato
(denitrificación), CO2 (metanogénesis) o algunos compuestos orgánicos [3, 4]. La
digestión anaeróbica ha sido ampliamente utilizada en el tratamiento de aguas residuales
y desechos orgánicos, e involucra cuatro etapas (Figura 2): primero, la materia orgánica
compleja es hidrolizada (polisacáridos, lípidos, ácidos nucleicos y proteínas), formando
los correspondientes oligómeros y monómeros; en segundo lugar se lleva a cabo la
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acidogénesis, en la cual las moléculas simples generadas en la etapa de hidrólisis son
transformadas en ácidos grasos volátiles (AGV). Lo anterior está a cargo de las
bacterias acidogénicas. En la tercera etapa, las bacterias acetogénicas transforman los
AGV en ácido acético, el cual es utilizado en la cuarta etapa, en que las bacterias
metanogénicas transforman los productos de la fermentación en metano y CO2 [2, 4 – 6].
Existen varios procesos anaeróbicos para el tratamiento de aguas residuales; uno de
ellos es el reactor anaerobio de flujo ascendente, UASB (Upflow Anaerobic Sludge
Blanket ). Este tipo de reactor anaerobio es sin duda el más utilizado en el tratamiento de
gran variedad de aguas residuales [5]. El dispositivo más característico del reactor
UASB es el separador de tres fases, el cual se ubica sobre la zona de digestión,
permitiendo mantener gran cantidad de lodos al interior del reactor, mientras se
descarga el efluente esencialmente libre de sólidos [7]. En términos de costos, la
operación y mantención de un reactor UASB requiere menos del 1% de su costo de
inversión por año [8]. Del mismo modo, el costo de construcción de un reactor UASB
es menor que el de un reactor de lodos activados, siendo de entre 20 y 40 USD per
cápita y 60 y 120 USD per cápita, respectivamente [9]. El funcionamiento de un reactor
UASB depende de parámetros físico-químicos y procesos biológicos, que determinan la
eficiencia de la remoción y conversión de compuestos orgánicos. Los mecanismos son
complejos y dependen de varios parámetros operacionales interrelacionados entre sí
[10]. Por lo tanto, es necesaria una adecuada comprensión de la interacción y función
de estos parámetros para el constante desarrollo de tecnologías de tratamiento anaerobio
de residuos. Esta revisión tiene por objetivo investigar y discutir sobre la tecnología
involucrada en la operación de reactores UASB, con énfasis en mecanismos y
parámetros que afectan el funcionamiento de este sistema de digestión anaerobia.
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2. El reactor UASB
En la Figura 3 se muestra un esquema del reactor UASB. El reactor consiste en dos
partes principales: una columna rectangular o cilíndrica y un separador de fases gas-
líquido-sólido (GLS) [7]. El separador de fases es la innovación técnica que destaca al
reactor UASB por sobre otros sistemas de digestión anaerobia. Este separador de fases
se ubica en la parte superior del reactor y proporciona una separación interna efectiva de
la biomasa, el efluente tratado y el biogás. Luego de un período de puesta en marcha
del sistema (entre 2 a 8 meses), y dependiendo de las condiciones de operación y las
características del agua residual y del lodo del afluente (este último entra por la parte
inferior del reactor), es posible la acumulación de grandes cantidades de biomasa activa,
en forma de gránulos compactos con una elevada capacidad de sedimentación y
dispuestos en capas de lodos en la parte inferior del reactor [5, 7, 11 – 13]. En el reactor
UASB es posible distinguir tres zonas hidráulicas: zona de lecho de lodos, zona de
manto de lobos y zona del separador GLS. En la zona de lecho de lodos se concentran
los microorganismos encargados de biodegradar el material orgánico presente en el
agua residual a tratar. El flujo en esta zona es tipo pistón. En la zona de manto de lodos
los microorganismos se encuentran dispersos a lo largo del reactor y el comportamiento
es turbulento, por lo que el flujo puede llegar a ser completamente mezclado. En la
parte del separador GLS, el flujo es laminar parecido a flujo pistón [14 – 16]. En este
tipo de sistema, las aguas residuales a tratar se introducen por la parte inferior del reactor y fluyen en sentido ascendente a través de un manto de lodos. El tratamiento se
produce al entrar en contacto el agua residual y el lodo. Parte del gas generado (metano
y CO2) dentro del manto de lodos se adhiere a las partículas biológicas. Tanto el gas
libre como las partículas a las que se ha adherido gas, ascienden hacia la parte superior
del reactor. Allí se produce la liberación del gas adherido a las partículas, al entrar éstas
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en contacto con los deflectores desgasificadores. Las partículas desgasificadas vuelven a
caer hasta la superficie del manto de lodo. El gas libre de partículas de lodo es
capturado en un dispositivo destino para ello, ubicado en la parte superior del reactor.
El líquido, que contiene algunos sólidos residuales y algunos de los gránulos biológicos,
se conduce a una cámara de sedimentación, donde se separan los sólidos residuales. Los
sólidos separados son dirigidos a la superficie del manto de lodo a través del sistema de
deflectores [11, 17 – 19]. Este tipo de reactor, al igual que otros sistemas de digestión
anaeróbica de alta velocidad, requiere la inmovilización del lodo por algún mecanismo,
de modo que el tiempo de retención de éste en el reactor sea casi independiente del flujo
del sistema. En un reactor UASB la inmovilización se logra por un mecanismo natural
que corresponde a la granulación [12, 20]. Este reactor tiene un lodo anaeróbico que
exhibe buenas propiedades de sedimentación y que conserva eficientemente complejos
consorcios microbianos sin la necesidad de la inmovilización sobre un material de
soporte. Por lo tanto, este sistema, convierte eficientemente compuestos orgánicos de
aguas residuales en metano, utilizando reactores de menor tamaño que otros sistemas de
digestión anaerobia.
3. Parámetros de Control y Operación del Reactor UASB
Existen diversos parámetros a conocer y tener en cuenta para poder lograr una buena
operación del reactor UASB. A continuación se comentarán algunos de éstos.
3.1 Temperatura
La temperatura juega un rol positivo en el proceso de digestión anaeróbica en el reactor
UASB, ya que aumenta la capacidad de los microorganismos de producir metano a
partir de compuestos orgánicos. Se ha reportado que, a idénticas condiciones de
operación en un sistema UASB, el incremento de la temperatura del agua residual desde
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21 a 24ºC, aumenta considerablemente la eficiencia de remoción de DBO5 y DQO [1].
La temperatura afecta la remoción de partículas mediante su influencia en la viscosidad
del agua residual y en la conversión de materia orgánica [1, 21]. Al aumentar la
temperatura del agua residual, disminuye su viscosidad, y por lo tanto disminuye el
esfuerzo de corte de las partículas. Por el contrario, a bajas temperaturas la viscosidad
del líquido puede ser alta, lo que implica una mayor cantidad de energía para la mezcla
de las partículas, por lo que es posible afirmar que la temperatura influye en la
turbulencia hidráulica del reactor [22]. Como se ha mencionado anteriormente, en un
reactor UASB, la producción de gas y el flujo ascendente proporcionan las condiciones
de mezcla adecuadas. Al aumentar la temperatura, se favorecen las condiciones de
mezcla por una disminución de la viscosidad y además se produce mayor cantidad de
biogas y mayor turbulencia. Además, el aumento de la temperatura facilita la
separación de sólidos capturados por partículas de gas [10].
Por otra parte, la tasa de conversión anaeróbica de material orgánico complejo, es a
menudo limitada por la etapa de hidrólisis [23]. La constante de velocidad de hidrólisis
es altamente dependiente de la temperatura, debido a que esta etapa corresponde a una
reacción bioquímica catalizada por enzimas, las que son altamente sensibles a este
parámetro [24]. Este efecto puede ser descrito mediante la ecuación de Arrhenius (Ec.
(1)) [25].
(1)
Donde, k h es la constante de velocidad de hidrólisis (d-1); A, es la constante de Arrhenius
(d-1); E , energía de activación (kJ·mol-1); R, constante universal de los gases ideales
(J·mol-1·K -1); T , temperatura absoluta (K).
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Es fácil suponer además que, dado que la digestión anaerobia involucra etapas que son
llevadas a cabo por microorganismos, la temperatura afectará el desempeño de cada
grupo microbiano involucrado en el proceso. La metanogénesis puede verse seriamente
afectada por temperaturas bajo los 30ºC. En el rango de los 37 a 55ºC, se ha reportado
el lavado del lodo y una remoción deficiente de DQO [26], con acumulación de ácidos
grasos volátiles por la inhibición de la metanogénesis. Sin embargo, existen reportes de
reactores UASB operando en condiciones termofílicas (ej. 55ºC), en los que se obtienen
altas tasas de conversión de residuos de vinaza [27]. Se han reportado también efectos
de la temperatura sobre la acidogénesis, sin embargo no se ha discutido de igual manera
que el efecto de la temperatura sobre la metanogénesis [28]. La temperatura y el pH
influyen de manera diferente en la acidificación de aguas residuales ricas en proteínas.
La eficiencia y tasa de degradación de estos residuos proteicos, grado de acidificación y
tasa de formación de ácidos grasos volátiles y alcoholes aumentan ligeramente con la
temperatura. La temperatura afecta la acidogénesis de residuos proteicos de acuerdo a la
ecuación de Arrhenius, con una baja energía de activación de 1.83 kcal·mol-1 [29].
La digestión anaeróbica en reactores UASB a menudo es llevada a cabo en rangos de
temperaturas desde 35-37ºC, independiente de la temperatura del agua residual [30].
Naturalmente, resulta más beneficioso en aspectos económico que el tratamiento se
realice a la temperatura natural del agua residual.
3.2 pH
El valor de pH afecta significativamente el rendimiento y estabilidad de un reactor
UASB, ya que es esencial un aumento gradual en el valor de pH para alcanzar la
aclimatación necesaria de los gránulos y prevenir la desintegración de éstos Se han
reportado valores de pH entre rangos de 6.3 a 8.0 [5, 31]. La estabilidad del sistema
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puede verse afectada por cambios en el pH del afluente. Varios experimentos se han
llevado a cabo para ilustrar el comportamiento de reactores anaeróbicos frente a
pequeñas variaciones en los valores de pH. En algunos de ellos se ha inyectado HCl en
el afluente para cambiar el pH del sustrato desde 6.8 a 6.6. La respuesta frente a este
cambio fue significativa, ya que la producción de gas aumentó en un 40%, así como
también la concentración de CO2. De igual modo fue testeada la respuesta del sistema
frente al aumento del pH agregando NaOH hasta un valor de pH de 7.4; bajo estas
condiciones, aumentó la producción de gas, pero disminuyó la producción de CO 2 [32].
Del mismo modo que ocurre con la temperatura, es de esperar que la comunidad
microbiana en un reactor UASB se vea afectada por variaciones en el pH. El pH óptimo
para la mayoría de los grupos microbianos presentes en estos sistemas es de entre 6.8 y
7.2, mientras que valores de pH menores a 4 y mayores a 9.5 no son tolerados por estos
microorganismos [33]. Son tres los principales grupos bacterianos involucrados en la
producción de gases: bacterias hidrolíticas, bacterias productoras de ácidos y bacterias
productoras de metano. Las bacterias productoras de ácidos, comúnmente toleran bajos
valores de pH, cuyo rango óptimo es de 5.0 a 6.0 [34]. Por otra parte, los metanógenos
son los microorganismos más afectados frente a variaciones de pH, disminuyendo su
actividad cuando el valor se aleja del óptimo, que se encuentra en el rango entre 6.7 y
7.4 [35]. El bicarbonato producido por las bacterias productoras de metano
normalmente controlan la reducción de pH causada por las bacterias productoras de
ácidos [34].
3.3 Velocidad de Carga Orgánica
La velocidad de carga orgánica (Organic Loading Rate, OLR) es la cantidad de materia
orgánica introducida por unidad de volumen y tiempo. Es un parámetro de gran
importancia que afecta la ecología microbiana y estabilidad del sistema en un reactor
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UASB. El grado de inanición de los microorganismos en sistemas biológicos depende
de la OLR. Se ha reportado que a altos valores de OLR, los microorganismos crecen
más rápido y aumenta la producción de gas, pero hasta cuando los metanógenos no
pueden convertir lo suficientemente rápido el ácido acético en metano. Además, si la
producción de gas es muy alta, el nivel de agitación puede aumentar de tal modo que
ocurre el lavado del lodo inoculado [34]. También se ha demostrado que a altos valores
de OLR se reduce la eficiencia de remoción de DQO en sistemas de tratamiento de
aguas [36, 37]. La velocidad de carga orgánica está relacionada con la con la
concentración del sustrato y el tiempo de retención hidráulico (Ecuación 2), por lo que
es necesario un buen balance entre estos dos parámetros, para el correcto
funcionamiento de la digestión [38].
(2)
Donde OLR, velocidad de carga orgánica (gDQO·L-1·d-1); DQOin, demanda química de
oxígeno en el afluente (g·L-1); TRH , tiempo de retención hidráulico (días).
3.4 Tiempo de Retención Hidráulico y Velocidad de Flujo Ascendente
El tiempo de retención hidráulico (TRH), es el cociente entre el volumen y el caudal de
tratamiento, es decir, el tiempo medio de permanencia del influente en el reactor,
sometido a la acción de los microorganismos. La velocidad de flujo ascendente (Vup) en
tanto, es la velocidad del líquido a través de la sección transversal del reactor UASB
[39]. El TRH es uno de los parámetros más críticos en el diseño y operación de un
reactor UASB. Valores adecuados de TRH garantizan un tiempo suficiente para que los
microorganismos degraden la materia orgánica. El TRH en reactores UASB está en el
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rango de 2 a 200 h, dependiendo del tipo de aguas residuales a tratar y la escala del
reactor. Los valores de TRH durante la puesta en marcha del reactor, son usualmente
mayores que los valores en estado estacionario. Esto permite la aclimatación del reactor
y previene el lavado del lodo inoculado por altas velocidades de flujo ascendente.
Usualmente, los TRH durante la puesta en marcha de un reactor UASB son de 2 a 3 días
en reactores a escala de laboratorio [40, 41]. El TRH en el reactor debe ser tan pequeño
como sea posible, pero tomando en cuenta que a valores muy pequeños de TRH se
reduce el tiempo de contacto entre la biomasa activa y el sustrato, resultando en el
lavado del lodo inoculado. Del mismo modo, valores prolongados de TRH provocarán
una disminución en el rendimiento del reactor debido a que la población microbiana se
encontrará en condiciones de inanición por carencia de sustrato [42, 43].
Por otra parte, la velocidad de flujo ascendente también es un parámetro importante en
la operación del reactor UASB, ya que mantiene las condiciones de mezcla y de TRH
del sustrato y la biomasa [38]. La ―capa límite‖ alrededor de un gránulo se puede
reducir aumentando el flujo ascendente. Esta ―capa límite‖ corresponde a la zona
intermedia entre el seno del fluido y el sólido; representa una película de líquido
estancado en la cual se manifiestan las resistencias externas a la transferencia de masa,
por lo que la reducción de esta capa aumenta la difusión entre la fase líquida en el
gránulo y, por lo tanto, aumenta la degradación de sustrato y se estimula el crecimiento
de microorganismos. La velocidad de flujo ascendente en un reactor UASB fluctúa
entre 0,1 y 1.4 m·h-1 [38, 44]. Como se ha mencionado anteriormente, en un reactor
UASB, las zonas del manto y el lecho de lodos tienen partículas dispersas a través de las
cuales fluyen de manera ascendente el agua residual a tratar y las burbujas de gas. Por
lo tanto, incluso si la velocidad del flujo ascendente es baja, la distribución del flujo al
interior del reactor no es uniforme debido a la presencia de los gránulos y a la agitación
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producida por las partículas de gas [45, 46]. De acuerdo a lo anterior, resulta fácil
suponer que la velocidad de flujo ascendente en el lecho de lodos sea levemente mayor
que la velocidad de flujo ascendente en la parte superior del reactor (Figura 4), ya que
los gránulos reducen el espacio para el flujo del agua residual (Efecto Venturi) [47].
La velocidad de flujo ascendente es directamente proporcional a la altura del reactor e
inversamente proporcional al TRH, como se muestra en la Ecuación 3 [38]:
(3)
Donde V up , velocidad de flujo ascendente en el afluente (m·h -1); h, altura del reactor
(m); TRH , tiempo de retención hidráulica (horas).
La velocidad de flujo ascendente también puede ser calculada relacionando el caudal y
el área de la sección transversal del reactor, como se muestra en la Ecuación 4:
(4)
Donde V up , velocidad de flujo ascendente en el afluente (m·h-1); Q, caudal del afluente
(m3·h-1); A, área de la sección transversal del reactor (m2).
De acuerdo a la Ecuación 5, podemos notar que el caudal es inversamente proporcional
al TRH, y se observa que el volumen tiene una relación directa con Q [38]. Podemos
calcular Q de acuerdo a lo siguiente:
(5)
Donde Q, caudal del afluente (L·d-1); V , volumen del reactor (L); TRH , tiempo de
retención hidráulico (días).
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3.5 Requerimientos Nutricionales
A diferencia de los procesos aerobios, la digestión anaerobia se caracteriza, por los
bajos requerimientos de nutrientes, debido fundamentalmente a los bajos índices de
producción de biomasa. Naturalmente, la biomasa contenida en un reactor anaerobio
necesita de una fuente de carbono y energía, nutrientes minerales y en algunos casos
vitaminas. Los principales requerimientos nutricionales del sistema anaerobio son
nitrógeno, azufre fósforo, hierro, cobalto, níquel, molibdeno, selenio, riboflavina y
vitamina B12 [49]. Los valores mínimos necesarios para el correcto crecimiento de los
microorganismos presentes en un sistema de digestión anaerobia se muestran en la
Tabla 1. Los requerimientos nutricionales de nitrógeno y fósforo se han expresado
también en función de la concentración de carbono de la alimentación, considerando
que la relación C:N debe oscilar entre 15-30:1, y la relación C:P entre 75-113:1 [49].
En general, en las aguas residuales municipales están presentes cantidades suficientes de
nutrientes, sin embargo en aguas de origen industrial, es necesario agregar nutrientes
para poder llevar a cabo algún proceso biológico. La falta de cantidades de N y P es un
caso frecuente especialmente en los procesos de tratamiento de agua residual
provenientes de la industria alimenticia o de aguas residuales con alta carga de materia
orgánica [49, 50].
3.6 DQO y DBO5
La demanda bioquímica de oxígeno 5 (DBO5) es una prueba analítica que permite
determinar el contenido de materia orgánica biodegradable en una muestra de aguas
residuales midiendo el consumo de oxígeno por una población microbiana heterogénea
(durante 5 días generalmente), a una temperatura de incubación de 20ºC y en presencia
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de nutrientes [7]. La importancia de esta prueba radica en que es un parámetro
ambiental que da una medida del grado de contaminación. Se utiliza para el cobro de la
tasa retributiva. Medida en el afluente y efluente del reactor permite calcular la
remoción del mismo. La demanda química de oxígeno (DQO) en tanto es una medida
de la materia orgánica en la muestra equivalente a la cantidad de oxigeno que se puede
oxidar químicamente en un medio ácido. Puede relacionarse con la DBO5. La oxidación
se realiza con un agente oxidante fuerte en un medio ácido. Tiene la misma importancia
que la DBO5 [39].
3.7 Concentración de AGV y Alcalinidad
La relación entre el pH, la alcalinidad y los ácidos grasos volátiles (AGV) proporciona
información importante sobre el funcionamiento de un sistema de digestión anaerobia.
La alcalinidad es una medida de la capacidad tampón del medio. Esta capacidad tampón
puede ser proporcionada por un amplio rango de sustancias, siendo por tanto una
medida inespecífica. En el rango de pH de 6 a 8, el principal equilibrio químico que
controla la alcalinidad es el dióxido de carbono-bicarbonato [51]. La alcalinidad del
bicarbonato y el pH en el reactor cambian a medida que transcurre el proceso de
digestión anaeróbica. La alcalinidad del bicarbonato de amonio es producido a medida
que se van degradando las proteínas, liberándose CO2 y amonio, en tanto que la
alcalinidad del bicarbonato se ve afectada cuando los AGV son neutralizados. La
alcalinidad del bicarbonato puede ser un indicador temprano de una alteración en el pH
y es posible obtener una gran cantidad de información midiendo el pH y la alcalinidad
en un digestor anaeróbico. Se ha reportado que, al monitorear la alcalinidad de
bicarbonato durante períodos de sobrecarga orgánica, el bicarbonato resulta un buen
indicador de inestabilidad y sobrecarga. Además, la medida de la alcalinidad medida en
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conjunto con la concentración de biogas, corresponden a una estimación confiable del
pH del reactor [52].
Por otra parte, los AGV son un importante intermediario en el proceso de digestión
anaeróbica. La acumulación de ácidos orgánicos es una señal temprana de que la
producción de metano está siendo inhibida por el exceso de AGV, ya que en estas
condiciones se excede la capacidad de los metanógenos para metabolizar ácido acético.
En este contexto, Nielsen y col. observaron la producción de metano y la concentración
de propionato como indicadores de desbalance, encontrando que el aumento de la
concentración de propionato fue uno de los primeros indicadores de inestabilidad [53].
3.8 Producción de Biogás
Una de las principales atracciones del proceso de digestión anaeróbica utilizando
reactores UASB es la posibilidad de recuperar energía en forma de biogás. La
producción de biogás es el último paso en el proceso, por lo tanto es una señal de que la
digestión anaerobia ha finalizado. Esta etapa es llevada a cabo por bacterias
metanogénicas acetoclásticas y metanógenos hidrogenotróficos. Aproximadamente el
70% del metano producido durante la digestión anaeróbica es derivado de las bacterias
metanogénicas acetoclásticas de los géneros Methanosarcina y Methanosaeta [55]. De
acuerdo a lo reportado en la literatura, por cada kilogramo de DQO digerido
anaeróbicamente a 35ºC, se producen 0,39 m3 de metano. Generalmente, se obtiene
mayor cantidad de biogás en condiciones termófilas (45ºC) que en condiciones
mesófilas (30ºC) [56], por lo que es posible afirmar que la producción de biogás es una
etapa dependiente de la temperatura. La composición y cantidad de biogás también
depende de otras condiciones operacionales como el pH, tipo de agua residual a tratar,
OLR, granulación y presencia de inhibidores. La presencia de metales pesados (Cu, Cr,
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Ni, Cd, Zn y Pb) inhiben la metanogénesis en este tipo de proceso, siendo el cobre el
más tóxico para esta etapa [57].
Como se ha mencionado anteriormente, el flujo ascendente de biogás genera turbulencia
al interior del reactor, lo que permite mezclar el contenido de éste [58]. Es más, la
producción de gas contribuye en mayor medida a la mezcla del reactor que la velocidad
del flujo ascendente del afluente, lo que sin duda mejora el rendimiento del sistema. Sin
embargo, una producción excesiva de biogás puede resultar en la suspensión y
consecuente lavado de la biomasa, reduciendo la eficiencia del rector [58]. Un ámbito
del proceso que puede verse favorecido por la producción de biogás es el económico, ya
que la energía recuperada desde un reactor UASB puede compensar los costos
operacionales y de mantención del reactor. La producción de biogás es uno de los
parámetros clave que indica la salud de los reactores UASB [59].
4. CONCLUSIÓN
Los sistemas de digestión anaeróbica UASB han sido aplicados exitosamente para el
tratamiento de diversos tipos de aguas residuales. La eficiencia de este tipo de reactores
depende directamente del desempeño de los microorganismos que llevan a cabo las
etapas de la digestión anaeróbica. Por lo tanto, es esencial contar con información
adecuada sobre los procesos biológicos que ocurren al interior del reactor, de las
especies de microorganismos que los llevan a cabo y de los parámetros que influyen en
su comportamiento. Por otra parte, el biogás producido al final del proceso de digestión
en un reactor UASB, es sin duda el gran atractivo de este sistema y tiene un enorme
potencial en términos de reducción de costos y como fuente de energía renovable.
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Agradecimientos
La autora agradece a Sr. Javier Ferrer y Sr. José M. Vidal de la Facultad de Ingeniería
de la Universidad de Concepción, Concepción, Chile, por la orientación y útil discusión
sobre el tema.
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NOMENCLATURA
A - constante de Arrhenius
AGV – ácidos grasos volátiles.
DBO5 – demanda bioquímica de oxígeno transcurridos 5 días de reacción.
DQO – demanda química de oxígeno.
DQOin – demanda química de oxígeno en el afluente.
E - energía de activación.
GLS – Separador gas-líquido-sólido.
h – altura del reactor.
k h - constante de velocidad de hidrólisis.
OLR – Organic Loading Rate (velocidad de carga orgánica).
Q – Caudal del afluente.
R - constante universal de los gases ideales.
TRH – Tiempo de retención hidráulica.
UASB – Upflow anaerobic sludge blanket (Digestor Anaerobio de Flujo Ascendente).
V – volumen del reactor.
Vup – Velocidad de flujo ascendente.
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Figuras
Figura 1. Ventajas del tratamiento de residuos aplicando la Valorización de Residuos
comparada con los procesos tradicionales de tratamiento.
Figura 2. Principales procesos involucrados en la digestión anaerobia.
Figura 3. Esquema de reactor UASB.
Figura 4. Velocidad de Flujo ascendente en el lecho de lodos en un reactor UASB.
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Tablas
Tabla 1. Rangos de concentración de nutrientes, necesarios para el correcto crecimiento
de las bacterias anaerobias [50].
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Figura 1.A.
Figura 1.B
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Figura 2.
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Figura 3.
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Figura 4.
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Tablas
Tabla 1.
g/kg SSV g/kg DQO
Nitrógeno 80-120 55-85
Fósforo 10-25 7-18
Azufre 10-25 7-18
Hierro 5-15 4-11