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Digestión Anaerobia: Tecnología fundamental para la transformación de
desechos orgánicos en recursos aprovechables
Adalberto Noyola
Instituto de Ingeniería
Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM)
Simposio Internacional sobre Digestión Anaerobia
UNAM 6 de marzo 2013
América Latina y el Caribe (ALyC)
563 millones de habitantes (8.5% pob. mundial)
PIB extremos
Agua potable para 85 % de su población (84 millones carentes)
Saneamiento para 78 % de su población (124 millones carentes)
Tratamiento de aguas residuales del orden del 20%
El 54% de los residuos sólidos municipales van a relleno sanitario. El 23 % se dispone en tiraderos no controlados
El Saneamiento en ALyC Elementos técnicos de diagnóstico en aguas residuales
Saneamiento para el 78% de la población
48% alcantarillado
30% letrinas o tanques sépticos
Tecnologías convencionales en su gran mayoría
Lagunas de estabilización (++++)
Lodos activados (+)
Resistencia a la aceptación de tecnologías adaptadas
Medio conservador
Dominio de empresas transnacionales
Los Retos del Saneamiento
Población fuertemente urbana: 74% Sistemas de A y S débiles y usuarios sin cultura de pago
Calidad y disponibilidad de agua en reducción Escasez de agua en varias regiones
Reuso en agricultura (1,300,000 ha) Reuso urbano e industrial creciente
Nuevas formas de abordar los retos
Innovadoras Adaptadas Lo financiero, lo administrativo, lo tecnológico Integrales (Gestión Integrada de Recursos Hídricos GIRH)
Orígen del metano atmosférico
Fuentes de emisiones de metano Contribución (%)
Producción de energía (gas natural) 26
Fermentación entérica 24
Cultivo de arroz 17
Rellenos sanitarios 11 *
Quemado de biomasa 8
Desechos 7 *
Aguas residuales municipales 7 *
* Suma de residuos: 25 %
IPCC (1994)
Las Herramientas Tecnológicas
La materia no se destruye, solo se transforma
* la inevitabilidad de los subroductos y residuos
* integrar un sistema completo
El mejor tren de tratamiento
* con el máximo de economía y el mínimo de
complejidad, alcanza la calidad de agua requerida
Las principales causas de la ineficiencia de las plantas
* Abandono por altos costos de operación
* Sistema impuesto al organismo responsable de la operación
* Decisiones de corto plazo
El tratamiento de aguas residuales Considerandos:
Tecnologías adaptadas
Subconjuntos Por densidad de población (urbana y rural)
Por clima (zonas cálidas y templadas/frías)
Por grado de mecanización
Aprovechar la biodiversidad y las condiciones climatolólogicas de ALyC Procesos anaerobios y naturales
Principales procesos de tratamiento biológico de
aguas residuales
LODOS ACTIVADOS (SELECTOR)
REACTOR DE LECHO DE LODOS DE
FLUJO ASCENDENTE (UASB) (1)
FILTRO SUMERGIDO
DISCO BIOLÓGICO ROTATORIO LECHO FLUIDIFICADO
BIOMASA
SUSPENDIDA
BIOMASA
FIJA
ANOXICOS
LODOS ACTIVADOS (ver recuadro)
LAGUNAS AERADAS LAGUNAS DE OXIDACIÓN
LAGUNAS DE ALTA TASA
NITRIFICACIÓN
FILTRO PERCOLADOR DISCO BIOLÓGICO ROTATORIO FILTRO SUMERGIDO LECHO FLUIDIFICADO
BIOMASA
SUSPENDIDA
BIOMASA FIJA
AEROBIOS
FLUJO PISTON
COMPLETAMENTE MEZCLADO
AERACIÓN EXTENDIDA AERACIÓN POR ETAPAS AERACIÓN EN DISMINUCIÓN
ALTA TASA CONTACTO-ESTABILIZACIÓN OXÍGENO PURO
VARIANTES DE
LODOS ACTIVADOS
LAGUNAS FACULTATIVAS COMBINADOS
LAGUNAS ANAEROBIAS CONTACTO ANAEROBIO REACTOR DE LECHO DE LODOS DE
FLUJO ASCENDENTE (UASB) (1)
REACTOR DE LECHO GRANULAR
EXPANDIDO (EGSB) (1)
FILTRO ANAEROBIO
LECHO FLUIDIFICADO
BIOMASA
SUSPENDIDA
BIOMASA
FIJA
ANAEROBIOS
(1) Los reactores UASB y EGSB son
estrictamente sistemas de biomasa suspendida,
aunque pueden clasificarse como biomasa fija,
gracias a la granulación del lodo y su retención
BIOLÓGICO ¿AEROBIO O ANAEROBIO?
Debate
* respuesta clara en efluentes industriales
* permanece en aguas residuales municipales
Anaerobio
* menor costo de operación
(energía, lodos, complejidad)
* menor calidad de agua tratada y olores
Aerobio
* inverso de lo anterior
Complementarios en muchos casos (anaerobio + aerobio)
Flujo de energía (DQO) en los procesos biológicos
aerobia
100 %
(DQO)
materia
orgánica
anaerobia
células
células
CH4 + CO2
energía
disipada
H2O + CO2
( 90 % )
( 10 % )
( 35 % )
( 65 % ) O2
FOSA SÉPTICA TANQUE IMHOFF LAGUNA ANAEROBIA
DIGESTOR COMPLETAMENTE
MEZCLADO
CONTACTO
ANAEROBIO
DIGESTOR
CONVENCIONAL
Reactores anaerobios de primera generación
REACTOR TUBULAR DE
PELÍCULA FIJA
REACTOR DE LECHO DE
LODOS (UASB)
FILTRO
ANAEROBIO
Reactores anaerobios de segunda generación
REACTOR DE LECHO GRANULAR
EXPANDIDO (EGSB) CON RECIRCULACION INTERNA
REACTOR DE LECHO EXPANDIDO
O FLUIDIFICADO
Reactores anaerobios de tercera generación
Anaerobic treatment for domestic sewage
First attempts: Septic tanks (late XIX century)
Imhoff tanks; Anaerobic ponds
Clarigester (South Africa, 1950’s)
Recent comeback: High rate anaerobic reactors for industrial WW
Adaptation to domestic sewage
UASB (Cali, 1983), RALF (Paraná, 1982)
limited applications of AF, EB
Inventario de Tecnologías de Tratamiento en AL y C:
Metodología
Recopilación de información a
cargo de un consultor en cada país seleccionado.
Inventario de información para una
muestra de PTAR /país, de acuerdo con:
- Categorización de ciudades por tamaño
de población.
-Tipo de formato de información a aplicar:
a) Formato general
b) Formatos específicos:
- Calidad del agua residual
-Lodos, biosólidos y residuos sólidos
- Emisiones y control de olores
- Costos
Información documental publicada
por las dependencias, entidades y organismos operadores.
Processes applied for wastewater treatment in selected countries
Distribution per technologies
The 3 most used technologies, count
for 80% of the total sample of WWTP
• The septic tank was not considered as technology for the treatment • * 199 WWTP that reported combined processes (two technologies) were counted independently.
0
200
400
600
800
1000
12001106
760
493
140 137 125 84 54
18 10 6 No
. o
f in
sta
lle
d t
ec
hn
olo
gie
s
Technologies
(38%)*
(26%)*
(17%)*
Mexico: 1684 WWTP Brazil: 854 WWTP Chile: 178 WWTP Colombia: 141 WWTP Guatemala:43 WWTP Dominican Republic: 33 WWTP TOTAL: 2933 WWTP* (sample size 2734 facilities)
Noyola et al. (2012)
0
10
20
30
40
50
60
70S
tab
iliz
ati
on
po
nd
Act
iva
ted
slu
dge
UA
SB
Wet
lan
d
Tri
ckli
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d
Act
iva
ted
slu
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UA
SB
Wet
lan
d
Tri
ckli
ng
fil
ter
Aer
ate
d p
on
d
Brazil Chile Colombia Guatemala Dominican Republic Mexico
Po
rc
en
tag
e (
%)
Processes applied for wastewater treatment in selected countries Distribution per countries
Noyola et al. (2012)
0
20
40
60
80
100
120104.1
27.1
16.1 14.2
10.3 6.4
0.9 0.7 0.4 0.4 0.3
Technologies
Ac
cu
mu
late
d t
re
ate
d f
low
(m
3/s
)
(9%)
(58%)
(15%)
Processes applied for wastewater treatment in selected countries
Treated flow per type of technology
Noyola et al. (2012)
Biológico o físicoquímico (TPA)?
Debate nuevo
Fisicoquímico
* adición de químicos
* separa la materia orgánica suspendida y coloidal, sin
transformarla (producción de lodos putrescibles)
* monto de inversión bajo, costo de operación alto
Biológico
* menores necesidades de insumos
* transforma y separa la materia orgánica, incluida la
fracción soluble (menor producción de lodos)
* monto de inversión alto, costo operación menor
Tratamiento
primario avanzado
(TPA)
Lodos
Digestión
Anaerobia
Reactivos químicos
Tratamiento primario avanzado (TPA)
Enhanced Primary Treatment (CEPT)
Estabilización
con cal
Reactivos químicos
Características del TPA
•Incremento en la remoción de sólidos suspendidos y
coloides (vs. sedimentación primaria)
•Adición de reactivos químicos
•Instalaciones compactas
•Alta producción de lodos putrescibles (primarios)
•Bajo costo de inversión
•Alto costo de operación
El TPA está ganando aceptación en grandes ciudades de
América Latina
Ciudad Juárez Norte: 2.5 m3/s
Sur: 1 m3/s
San Luis Potosí 1 m3/s
Culiacán 1.7 m3/s
Puebla 1.1 m3/s
Plantas de TPA recientes en México
Nuevas soluciones a un viejo problema
Los antecedentes y la situación actual exige soluciones:
* integrales
* efectivas
* multidisciplinarias
* con criterios sustentables
* de corto y mediano plazo
Un manejo del agua integral, adaptado, innovador
…..y con participación social
Por una tecnología más sustentable
Características deseables de un proceso de tratamiento Ahorra y optimiza (menores necesidades de insumos)
Recicla, no agota (minimiza residuos y genera subproductos)
Integra (sistema “sin cabos sueltos”)
Perdura (esquema tecnológico - administrativo - financiero adecuado, compatible con su entorno social y ambiental)
¿Paradigma inalcanzable?
Condiciones aerobias
Condiciones anóxicas: Reducción de nitratos (desnitrificación)
Condiciones anaerobias: Reducción de sulfatos
Condiciones anaerobias: Reducción de CO2 (metanogénesis hidrogenotrófica)
Condiciones anaerobias: metanogénesis acetotrófica
0666 2226126 HCOOOHC
OHONHNO 2223 5.222
222
2
43 222 COOHSHHSOCOOHCH
OHCHCOH 2422 24
243 COCHCOOHCH
Reacciones bioquímicas de interés en tratamiento de residuos orgánicos
+500
+400
+300
+200 +100
0
-100
-200
-300 -400
-500
REDOX
(mV) CONDICIONES
AEROBIAS
ANÓXICAS
ANAEROBIAS
PROCESOS
Nitrificación Oxidación de
C orgánico
Desnitrificación
Reducción de
sulfatos Ácidogénesis y
Acetogénesis
metanogénesis
Potencial RedOx para reacciones bioquímicas en
tratamiento de aguas residuales
Diagrama del flujo de la energía de la
digestión anaerobia
MATERIA ORGÁNICA
PROTEÍNAS CARBOHIDRATOS LÍPIDOS
ÁCIDOS
GRASOS
HIDRÓGENO ACETATO
METANO
PRODUCTOS INTERMEDIOS
Propionato, Butirato
HIDRÓLISIS
FERMENTACIÓN
OXIDACIÓN
ANAEROBIA
ACETOTRÓFICAS HIDROGENOFÍLICAS
AMINOÁCIDOS
AZUCARES
La diferencia anaerobia
Agua residual
Efluente (+)
X biomasa
Energía requerida
1 kWh/kg DQO rem
Aerobio
Agua residual
Efluente (-)
0.2X biomasa
Producción de biogás
3 kWh/kg DQO rem
1 kWh/kg DQO rem
Anaerobio
Comparison of five mitigation scenarios for
municipal WWTP in Mexico
7,000
9,000
11,000
13,000
15,000
1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030
Escenario Base Escenario A2030 Escenario B1 Escenario B2 Escenario B3 B4 EB
WA Mexican Water Agenda
Base scenario Mexican Water
Agenda 2030 WA 1 WA 2 WA 2z WA 2e
34%
23%
14%
10%
Base
6%
Year
Gg
of
CO
2 e
q
La digestión anaerobia en el terreno de los residuos sólidos
Digestión de lodos de plantas de tratamiento
Digestión de residuos sólidos orgánicos (fracción orgánica de RSM; estiércoles): digestión anaerobia “seca”
Codigestión de lodos y residuos sólidos
Estabilización acelerada de rellenos sanitarios
Aprovechamiento de biogás en rellenos sanitarios
Tratamiento convencional de aguas residuales
•El lodo es un residuo del tratamiento de aguas residuales.
•Un lodo primario contiene del 3 al 6 % de sólidos
•Un lodo secundario contiene del 0.5 al 1 % de sólidos
•Biosólidos: Lodos que han sido sometidos a procesos de estabilización y que por su contenido
de materia orgánica, nutrientes y características adquiridas después de su estabilización,
pueden ser susceptibles de aprovechamiento
Influente
de agua
residual
Sedimentador
primario Tanque de aeración
Tratamiento
preliminar
Tratamiento
primario
Tratamiento
secundario
Desinfección
Tratamiento
de lodos
Lodos de desecho
Efluente
Lodo
estabilizado
(Biogás)
Sedimentador
secundario
Espesador
Residuos
Tratamiento de los lodos de desecho
El lodo está compuesto en su mayoría por agua, contiene un bajo porcentaje de materia sólida.
La proporción de materia orgánica en los sólidos de los lodos está entre el 70 y 80 %.
Los procesos convencionales para el tratamiento de lodos residuales son: Espesamiento
Estabilización
Acondicionamiento
Deshidratación
Secado
Reducción térmica
Química
Biológica
Cal
*Compostaje
* Digestión
aerobia
anaerobia
Estabilización
ESTABILIZACIÓN CON CAL. Eleva el pH por encima de 12 alcanzando 70
C.
COMPOSTEO. Reacción exotérmica en presencia de oxígeno del lodo mezclado con un material abultante.
DIGESTIÓN AEROBIA. Proceso que consiste en degradar la materia orgánica en presencia de oxígeno. Mesofília y termofília.
DIGESTIÓN ANAEROBIA. Proceso de degradación que convierte materia orgánica en metano y dióxido de carbono en ausencia de oxígeno. Mesofília y termofília.
Tipos de digestores
Cámara de gas
Gas
Influente
Intercambiador
de calor
Efluente
Influente
Gas
Cámara de gas
Capa de espuma
Sobrenadante
Digestión de lodos
Lodos digeridos
Efluente
Purga
Digestor de baja tasa Digestor de alta tasa
Geometría de digestores
Geometría americana
Geometría en forma de huevo
Geometría europea
Geometría clásica
Digestión anaerobia de estiércol y residuos agrícolas
La digestión anaerobia de diversos materiales orgánicos, como el
estiércol, ha sido desarrollada como un sistema para la generación
de gas metano.
Estos procesos se conocen desde 1895, en Inglaterra, donde se usaron
para el alumbrado público.
También fueron utilizados durante y después de la segunda guerra
mundial por países como Alemania, Francia y Argelia, donde el metano producido fue utilizado como combustible para automóviles.
Por el número de digestores rurales, la India y China se encuentran
en el primer plano, siendo países que han logrado integrar esta
tecnología con los procesos de producción agrícola y ganadera
tradicionales.
Tendencias actuales de la digestión anaerobia de
Lodos, residuos agrícolas y diversos orgánicos
Agua residual
Estiércoles
Desechos sólidos
de industria
alimentaria
Lodos biológicos
Hortalizas
Residuos
biogénicos
Fertilizantes
1. Incrementando la
digestibilidad del residuo.
2. Optimizando la
configuración de los
reactores y del proceso
3. Optimizando el control y
estabilidad del proceso
4. Haciendo más eficiente el
proceso metabólico
microbiano
1. Inactivación de patógenos
2. Control de contaminantes
químicos
DIGESTIÓN ANAEROBIA
Más biogás
B: Optimización de la calidad
del efluente
A: Optimización de la
producción del biogás
45
Los procesos anaerobios,
no requieren presencia de aeradores (-$)
maneja cargas orgánicas altas
ocupan poco espacio producen gran cantidad de biogás
producen poca biomasa.
Procesos biológicos de tratamiento de AR
Procesos
biológicos para el
tratamiento de
aguas residuales
AEROBIOS
ANAEROBIOS
Producción de H2
Variante sustentable para manejo de residuos
orgánicos
Comentarios finales
La vía anaerobia es una opción sustentable para el tratamiento y aprovechamiento de residuos orgánicos Bajo consumo de energía Productora neta de energía
Menores factores de emisión de GEI (con manejo adecuado de biogás)
En aguas residuales industriales y lodos es una opción probada, así como
en residuos ganaderos En aguas residuales municipales, la vía anaerobia tiene el inconveniente
del metano disuelto que puede liberarse a la atmósfera
Incipiente como tecnología para manejo de residuos sólidos orgánicos
Aún falta camino por recorrer para que esta opción sea aceptada en forma generalizada
Las políticas de mitigación de GEI pueden favorecer la aceptación de la tecnología
CONDICIONES OPTIMAS AMBIENTALES Y DE OPERACIÓN
DURANTE LA DIGESTION ANAEROBIA DE LODOS DE PURGA
VARIABLE ÓPTIMO INTERVALO
pH
Potencial óxido-reducción (mV)
Acidos volátiles (mg/l de ácido acético)
Alcalinidad
Temperatura: Mesófila
Termófila
Tiempo de retención hidráulica (días)
Composición del gas
Metano (CH4)(%v) Dióxido de carbono (CO2)(%v)
6.8 - 7.4
-520 a –530
50 – 500
1500 – 3000
30 – 35oC
40 - 56
C
10 - 15
65 – 70 30 – 35
6.4 – 7.8
-420 a –550
1000 – 5000
20 – 40 oC
45 – 60 oC
7-30
60 – 75 25 – 40
Costos de inversión y operación para diversos
procesos de tratamiento
Tipo Tratamiento Calidad
de agua
Inversión
US$/per
capita
%
respecto
Lodo Act
Operación
US$/m3
%
respecto
Lodo
Act
UASB ++ 30-40 40 0.025 20
Lodo Activado ++++ 80-100 100 0.12 100
Primario Avanzado + 40-50 50 0.06 50
UASB+laguna +++ 42-52 52 0.03 25
UASB+filtro
percolador
+++ 55-65 65 0.04 35
UASB+filtro aireado ++++ 65-75 75 0.07 60
UASB+flotación
DAF
+++ 40-50 50 0.06 50