digestión anaerobia

ICIDCA. Sobre los Derivados de la Caña de

Azúcar

ISSN: 0138-6204

revista@icidca.edu.cu

Instituto Cubano de Investigaciones de los

Derivados de la Caña de Azúcar

Cuba

Lorenzo Acosta, Yaniris; Obaya Abreu, Ma Cristina

La digestión anaerobia. Aspectos teóricos. Parte I

ICIDCA. Sobre los Derivados de la Caña de Azúcar, vol. XXXIX, núm. 1, 2005, pp. 35-48

Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar

Ciudad de La Habana, Cuba

Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=223120659006

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Proyecto académico sin fines de lucro, desarrollado bajo la iniciativa de acceso abierto

ICIDCA No. 1, 2005 35

Yaniris Lorenzo Acosta y Ma Cristina Obaya Abreu

Instituto Cubano de Investigaciones de los Derivados de la Caña de Azúcar (ICIDCA)e.mail: yaniris.lorenzo@icidca.edu.cu

cristina.obaya@icidca.edu.cu

RESUMEN

La digestión anaerobia es un proceso ampliamente conocido y en la actualidad poseeuna amplia aplicabilidad en el mundo. En esta primera parte, introductoria a las par-tes que le siguen, se hace una descripción general de los procesos microbiológicos queocurren, plasmando las etapas metabólicas de la digestión y los grupos de especies par-ticulares que intervienen en cada una, así como también de los parámetros físico quí-micos que influyen en la eficiencia del proceso. Resaltan en este análisis el efecto del pH,la temperatura, la composición del sustrato y el balance de nutrientes, los inhibidores yestimuladores del proceso, entre otros aspectos de importancia. Se plantean además lasventajas y desventajas del proceso, así como los subproductos del tratamiento y lascaracterísticas más importantes de los mismos.

Palabras claves: Digestión anaerobia, cinética, metanogénesis, termófilo, biogás.

ABSTRACT

The anaerobic digestion is a broadly well-known process and at the present time it pos-sesses a wide applicability in the world. In this first introductory part, to the parts that goon, a general description of the microbiological processes is made, describing the meta-bolic stages of the digestion and the groups of particular species that intervene in eachone, as well as of the parameters physique chemists that influence in the efficiency of theprocess. They stand out in this analysis the effect of the pH, the temperature, the subs-trate's composition and the balance of nutrients, the inhibitors and stimulates of the pro-cess, among other aspects of importance. They also think about the advantages anddisadvantages of the process, as well as the by-products of the treatment and the mostimportant characteristics in the same ones.

Key words: Anaerobic digestión, kinetic, metanogenesis, termofilo, biogas.

INTRODUCCIÓN

La digestión anaerobia es una fermenta-ción microbiana en ausencia de oxígeno queda lugar a una mezcla de gases (principal-mente metano y dióxido de carbono), cono-cida como "biogás" y a una suspensiónacuosa o "lodo" que contiene los microorga-nismos responsables de la degradación de lamateria orgánica. La materia prima prefe-rentemente utilizada para ser sometida aeste tratamiento es cualquier biomasa resi-dual que posea un alto contenido en hume-dad, como restos de comida, restos de hojasy hierbas al limpiar un jardín o un huerto,residuos ganaderos, lodos de plantas depu-radoras de aguas residuales urbanas y aguasresiduales domésticas e industriales.

El producto principal de la digestiónanaerobia es el biogás, mezcla gaseosa demetano (50 a 70 %) y dióxido de carbono (30a 50 %), con pequeñas proporciones de otroscomponentes (nitrógeno, oxígeno, hidróge-no, sulfuro de hidrógeno), cuya composicióndepende tanto de la materia prima como delproceso en sí. La cantidad de gas producidoes muy variable, aunque generalmente oscilaalrededor de los 350 l/kg de sólidos degrada-bles, con un contenido en metano del 70 %.Aunque su potencia calorífica no es muygrande, puede sustituir con ventaja al gas deciudad, utilizándose en aplicaciones tandiversas como: fuente de calor (cocina, alum-brado), combustión en calderas de vaporpara calefacción y combustible de motoresacoplados a generadores eléctricos.2,20

Por otro lado, la masa restante biodegra-da por las bacterias puede utilizarse comoabono para la fertilización de suelos asícomo en alimentación animal, aspecto aúnen vías de investigación.

El presente trabajo, es la primera de trespartes, que tienen como objetivo realizar unresumen analítico e informativo del procesode la digestión anaeróbica. En esta parte seplantean los aspectos teóricos fundamenta-les dirigidos a ilustrar los conocimientosmás recientes relacionados con la microbio-logía y la bioquímica de este proceso, asícomo de los parámetros físicos y químicosque hacen que el mismo sea más eficiente.

Tratamiento Anaerobio. GeneralidadesLos tratamientos aerobios y anaerobios

constituyen las dos grandes alternativas de

depuración biológica de aguas residuales yresiduos orgánicos fermentables. Sinembargo, el hecho de no necesitar aireacióny la generación de biogás, que se puede uti-lizar en la misma planta con finalidadesenergéticas, hacen que la digestión anaero-bia resulte mucho más favorable económi-camente, permitiendo en muchos casos laautonomía o autosuficiencia de las plantasde tratamiento.

Según Ghosh & Lall6, la digestión anae-róbica era tradicionalmente aplicada paratratar suspensiones diluidas (1-5 % sólidostotales) o material particulado (lodo prima-rio o lodo activado). Durante la crisis ener-gética de los años 70, creció el interés porproducir metano a partir de residuos sólidosa los efectos de utilizarlo como energía sus-titutiva del petróleo. Inicialmente, los estu-dios fueron enfocados hacia la trituración ydilución del residuo sólido para preparar ellodo a ser utilizado en la digestión conven-cional, conocida como etapa simple. Debidoa los inconvenientes que representaba esteproceso (necesidad de grandes volúmenesde reactor y de grandes volúmenes de agua,gasto de energía para calentar los digestores,bombear lodos, secar y realizar la disposi-ción final de efluentes, entre otros) que lohacían inviable económicamente, surgió elinterés por digerir substratos sólidos conconcentraciones elevadas de sólidos totales.A partir de entonces, fueron desarrolladosvarios procesos considerando residuossecos agrícolas9 y residuos sólidos munici-pales,16;21;23 tanto en sistemas continuoscomo de tipo batch. Los buenos resultadosobtenidos con este tipo de residuos llevó ainvestigar la digestión anaeróbica de resi-duo sólido de alimentos24.

En la digestión anaerobia más del 90 %de la energía disponible por oxidacióndirecta se transforma en metano, consu-miéndose sólo un 10 % de la energía en elcrecimiento bacteriano frente a un 50 %consumido en el proceso aerobio5.

Después de 1973 comenzó una oleadainternacional para el desarrollo de investi-gaciones encaminadas a probar la conve-niencia de producir el biogás a partir deresiduos orgánicos y eliminar la contamina-ción del medio ambiente. Así surgieron sis-temas muy variados, y finalmente los siste-mas de alta velocidad que han reducido sus-tancialmente los costos y han incrementado

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la eficiencia del proceso de digestión anae-robia en nuestros días13.

Las vías microbiológicas de producciónde energía a partir de sustratos biológica-mente degradables representan una exce-lente alternativa para la sustitución de com-bustibles fósiles no renovables que se utili-zan en la actualidad. Esto es especialmenteinteresante dentro del campo de las instala-ciones agroindustriales las que puedencubrir una parte de sus necesidades energé-ticas a partir de sus propios residuales, paracomplementar o reemplazar los combusti-bles fósiles8.

Otro aspecto muy ventajoso es que lageneración de lodos en exceso es muchomenor en el proceso anaerobio que en elaerobio, por lo que también se reducen loscostos de tratamiento de los lodos. Por todoesto, la digestión anaerobia se presentacomo el método más ventajoso en el trata-miento de aguas residuales de mediana yalta carga orgánica.

Bases microbiológicas del proceso anaerobioEl proceso de degradación anaerobia se

lleva a cabo en ausencia de oxígeno. Ungran número de microorganismos que traba-jan en serie o en serie-paralelo, degradan lamateria orgánica en sucesivas etapas20.

En la práctica ingenieril se acostumbra aconsiderar tres etapas para residuos sólidoso lodos (hidrólisis, acidogénesis, metanogé-nesis) y dos para residuos líquidos (acidogé-nesis y metanogénesis); el enfoque másnovedoso lo constituye el de las cuatro eta-pas o niveles tróficos hidrólisis, acidogéne-sis, acetogénesis y metanogénesis8.• Hidrólisis o liquefacción. En esta etapa los

compuestos orgánicos son solubilizadospor enzimas excretadas por bacterias hidro-líticas que actúan en el exterior celular porlo que se consideran exoenzimas. La hidró-lisis es, por tanto, la conversión de los polí-meros en sus respectivos monómeros.

• Acidogénesis. En esta etapa los compues-tos orgánicos solubles que comprendenlos productos de la hidrólisis son conver-tidos en ácidos orgánicos tales como acéti-co, propiónico y butírico, fundamental-mente.

• Acetogénesis. Se le conoce también comoacidogénesis intermediaria en la cual losproductos correspondientes son converti-dos en ácido acético, hidrógeno y CO2.

• Metanogénesis. En esta etapa metabólicael CH4 es producido a partir del ácido acé-tico o de mezclas de H2 y CO2 , pudiendoformarse también a partir de otros sustra-tos tales como ácido fórmico y metanol. Elrol de las bacterias metanogénicas se defi-ne por el tipo de sustrato disponible.

Las cuatro etapas metabólicas que ocu-rren en los procesos de digestión anaerobiapueden ser representadas según el diagramasiguiente12:

No en todas las etapas de la digestiónocurre disminución de la DBO. Así, lahidrólisis ocurre sin variación detectable dela DBO. En general, durante la acidificaciónla disminución de la DBO es mínima. Portanto, es en la metanogénesis donde ocurrenlas mayores disminuciones de la DBO4.

En cada una de estas etapas intervienenun número significativo de grupos de espe-cies particulares (ver tabla 1).

En general, se puede considerar que lasbacterias metanogénicas constituyen elgrupo biológico que determina el mayor omenor éxito del proceso dada su baja velo-cidad de crecimiento y los estrictos requeri-mientos de bajo potencial redox (-300 mV) yde pH, así como su alta sensibilidad a lainhibición por presencia de oxígeno mole-cular. Cuando en el medio anaerobio (den-tro del reactor o digestor) existe una canti-dad apreciable de sulfatos se desarrollancon intensidad las bacterias formadoras desulfuro de hidrógeno (H2S), comúnmentellamadas sulfobacterias, como es el caso delDesulfovibrio desulfuricans. Éstas jueganun papel importantísimo en el proceso yaque si la concentración de sulfuros solubles

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en el digestor excede los 160 mg/l, las bac-terias metanógenas se inhiben. De igualforma, aunque el proceso no llegue a inhi-birse una concentración de H2S en el biogáspor encima de 0,2 % limita el uso de éste yademás trae aparejados graves problemas decorrosión en las tuberías de conducción delbiogás y en los recipientes destinados alalmacenamiento de éste (campanas y gasó-metros)13.

En un estudio informétrico realizadorecientemente se detectó que uno de loaspectos que más se reporta en la literaturaespecializada sobre tratamientos anaerobioses precisamente la microbiología del proce-so; sin embargo, desafortunadamente en lacasi generalidad de estos artículos científi-co-técnicos se abordan solamente aspectosmuy básicos, tales como la identificación y

aislamiento de microorganismos, la fisiolo-gía de éstos y el comportamiento bioquími-co de estos ecosistemas, los que son muyimportantes pero no se trabaja en la aplica-ción de microorganismos a digestores convistas a acelerar el proceso12.

El conocimiento de la actividad metano-génica del lodo (actividad específica máxi-ma o Kmáx), medida en kg DQO/kg SSV.día,es de gran importancia, para el cálculo de,por ejemplo, la cantidad de inóculo que serequiere para el inicio de un reactor19.

Factores físicos y químicosComo todo proceso biológico la diges-

tión anaerobia se efectuará satisfactoria-mente o no dependiendo de las condicionesque estén presentes en el medio17. Para posi-bilitar el adecuado desarrollo de los micro-organismos que actúan sobre la materiaorgánica presente en los residuales que sonsometidos a esta biodegradación, es de granimportancia conocer, en qué medida contri-buyen o no a esta biodegradación.

Diferentes parámetros físicos y químicossiempre están presentes en los procesosanaerobios; siendo los factores principalesque influyen en el proceso, los siguientes13;19:• Composición del residual.• Someter el proceso a cargas orgánicas y

tiempos de retención hidráulica y celularcompatibles con el residuo a ser digeridoy con el tipo de digestor empleado.

• Temperatura: No ocurrencia de variacio-nes bruscas de temperatura. Se encuentraun óptimo de funcionamiento alrededorde los 35 °C.

• Acidez: determina la cantidad y el por-centaje de metano en el biogás, habiéndo-se encontrado que el valor óptimo de pHoscila entre 6,6 y 7,6, que se logra a travésde parámetros de proceso o de la adiciónde nutrientes.

• Contenido en sólidos: se suele operar enmejores condiciones con menos de un 10 %de sólidos, lo que explica que la biomasamás adecuada sea la de alto contenido enhumedad.

• Nutrientes: para el crecimiento y la activi-dad de las bacterias, éstas tienen que dis-poner de carbono, nitrógeno, fósforo, azu-fre y algunas sales minerales.

• Existencia de cantidades de N y P en elresiduo, compatibles con la cantidad decarbono.

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. Bacterias presentes en cada una de las etapas metabólicas13

Bacterias aisladas en un reactor anaerobio Fase no metanogénica

Anaerobicos facultativos Lactobacillus

Spirillum Klebsiella

Actinomyces Vibrio

Corynebacterium Bacillus

Micrococcus Pseudomonas Alcaligenes

Sarcina Aerobacter

Anaeróbicos estrictos Bacteroides Clostridium

Bifidobaterium Sphaerophorus Fusobacterium

Veillonella Peptococcus Deulfovibrio

Fase Metanogénica Anaeróbicos extremos

Methanobacterium Methanococcus

Methanospirillum Methanobrevibacter Methanomicrobium

• Tóxicos: No existencia, en el residuo a serdigerido, de cantidades elevadas de com-puestos que pueden transformarse en tóxi-cos durante el proceso como N (NH4

+,NH3),S (S2-). Aparte del oxígeno, inhiben ladigestión concentraciones elevadas deamoníaco, sales minerales y algunas sus-tancias orgánicas como detergentes y pes-ticidas, además de metales pesados, meta-les alcalinos y alcalinotérreos.

• No ocurrencia de sobrecargas orgánicas otóxicas además del límite soportable porel proceso.

Composición del residualDependiendo de las sustancias que con-

formen el residual (orgánicas e inorgánicas)así será su biodegradación anaerobia. Porejemplo se ha demostrado que en general,mientras más complejo es el residual, másácidos grasos volátiles (AGV) se producen yal final, el rendimiento de CH4 es mayor12,13.

En la tabla 2 se muestran los rendimien-tos teóricos de gas correspondientes a sus-tancias presentes en muchos residuales. Seprefiere expresar el rendimiento de gas enbase a kg de sólidos volátiles (SV) destrui-dos y no totales ya que no todos los SV sonbiodegradables, es decir , que no todos vana producir biogás. Hay que tener en cuentaademás, que alrededor del 10 % de la mate-ria orgánica consumida es empleada en lasíntesis celular13.

Relación C:N:P (balance de nutrientes)Existe una amplia diversidad de crite-

rios acerca de cuál es la relación óptima quedebe existir entre la materia orgánica adegradar (carbono) y la cantidad de los prin-cipales macronutrientes en un procesoanaerobio, dependiendo ésta en gran medi-da del tipo de sustancias de que esté com-puesta esta agua residual.

Como regla general, se plantea que debeser cercana a 100:1.75: 0.25 en base a laDemanda Química de Oxígeno (DQO). Enmuchas ocasiones, se puede lograr un buenbalance C:N:P mezclando diferentes aguasresiduales.

Si el nitrógeno está en exceso puede pro-ducirse mucho amoníaco lo cual puede inhi-bir el proceso anaerobio por encima de cier-tos niveles (3 kg./m3). Sin embargo, existenalgunos trabajos donde se reportan algunasconcentraciones tolerantes de 4 a 9 kg/m3 denitrógeno en procesos anaerobios13.

Inhibidores y estimuladores del procesoHay un número significativo de com-

puestos y sustancias que actúan de formaletal sobre los microorganismos que llevan acabo el proceso anaerobio inhibiendo éste.Destacan entre éstos, los metales pesados,fenoles, tiosulfatos, tiocianatos, cianuros,agentes oxidantes fuertes como cromatos ycloro, tensoactivos aniónicos, antibióticos,pesticidas y sales.

La toxicidad de cualquiera de éstosdependerá fundamentalmente de la concen-tración en que ellos se encuentran en el resi-dual. En los últimos años se han venido ope-rando diversos digestores de forma satisfac-toria a escala experimental con concentra-ciones de metales pesados, fenoles y otroscompuestos de los considerados inhibido-res, superiores a las planteadas como tóxicaslo cual se debe a las innovaciones introduci-das en estos procesos, tales como la prepara-ción de un inóculo apropiado, la aclimata-ción del digestor a estos compuestos y labúsqueda de aditivos o de efectos sinergéti-cos que disminuyan los efectos de esta toxi-cidad. Sin embargo, algunos de estos com-puestos tales como níquel, cobalto, molibde-no y selenio, resultan estimulantes para losmicroorganismos metanógenos, aumentan-do significativamente la producción deéstos. En estudios realizados en Cuba conresiduales de destilería se obtuvieron efi-ciencias mayores, entre un 25 y 50 % cuan-do se adicionó al reactor anaerobio un des-echo industrial que contenía níquel y cobal-to en cantidades trazas12.

En conclusión, es más correcto hablarde concentraciones tóxicas para algúncompuesto o sustancia específica que decompuestos y sustancias inhibidoras otóxicas.

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Rendimiento de gas metano para diferentes sustratos13

Componente % CH4 m3/kg SV destruido

Carbohidratos (C6H10O5)

50 0,886

Grasas (C50H90O6) 70 1,335 Proteínas

(6C.2NH3.3H2O) 84 0,587

Adición de sólidos inertesEn los últimos tiempos se ha estudiado

el efecto de la adición de sólidos suspendi-dos al proceso anaerobio, encontrándoseque a medida que la concentración de estosaumenta así se incrementa la eficiencia delproceso. Esto ha ocurrido en residuales muysolubles incrementándose la eficienciaentre 10 y 20 % con adición de asbesto ocarbón activado.

En estudios realizados en Cuba12, al apli-car dosis de 100 a 150 mg/l de carbón acti-vado al inicio de un proceso anaerobio deresiduales de destilería de alcohol se obser-vó que:• el tiempo de arrancada se reducía en 5

días.• se incrementó la eliminación de materia

orgánica y la producción de biogás entre10 y 20 %.

• la conversión de sulfato a sulfuro disminuyóobteniéndose concentraciones de sulfuro dehidrógeno disuelto de 149 mg/l y 199 mg/l,en los reactores con carbón activado y sinéste, respectivamente y de sulfuro de hidró-geno gaseoso de 0,8 y 1,3 % en los reactorescon carbón activado y sin éste, respectiva-mente.

Efecto del pHLos efectos del pH se reflejan en la acti-

vidad enzimática de los microorganismos.Las formas generales en que el pH influyeen la actividad microbiana pueden resumir-se en las siguientes:• cambio de los grupos hidrolizables de las

enzimas (grupos carboxilos y aminas).• alteración de los compuestos no enzimáti-

cos del sistema (ionización del sustrato,desnaturalización de la estructura protei-ca de la enzima).

A estos efectos del pH deben adicionar-se la concentración de H+ que influye sobrelas diferentes reacciones químicas, bioquí-micas y biológicas que ocurren en este sis-tema.

Se plantea en general que el valor ópti-mo de pH para la digestión anaerobia es 7.En la práctica se ha visto que al alejarse deeste valor, la eficiencia del proceso dismi-nuye, aunque se ha comprobado que paravalores fuera del rango el proceso no seinhibe hasta cierto valor particular6.

En estudios realizados en Cuba12, conlodos albañales domésticos presolubiliza-

dos con cal se comprobó que trabajando conpH entre 8,2 y 8,4 la anaerobiosis se llevabaa cabo satisfactoriamente.

Para regular el pH en un proceso anaero-bio se pueden emplear diferentes métodos:• Adición de álcali (fundamentalmente cal

o sosa).• Adición de ácido (orgánico o inorgánico).• Adición de agua al residual al reactor.• Disminución de la carga orgánica aplicada

al proceso.• AGV.

La presencia de ácidos grasos volátiles(AGV) es de gran importancia en el procesoque se estudia, ya que constituye el precur-sor principal de la metanogénesis.

Muchos especialistas consideran que laconcentración de AGV en un digestor nodebe sobrepasar los 2 kg/m3. Se plantea gene-ralmente que una concentración de 0,3 kg/m3

en el digestor puede considerarse óptima.Sin embargo, existen evidencias de que laconcentración de inhibidores de la digestióndepende en gran medida del tipo de ácidopresente en ella. En general, se ha demostra-do que mientras más pequeña es la cadenaestructural del ácido, más pequeña es la con-centración de éste que puede inhibir el pro-ceso12.

El conocimiento de la concentración deAGV en el proceso es muy importante paraconocer si éste está marchando de formaadecuada, y aún más significativo que elvalor absoluto de los AGV, resulta conocerla variación que puedan experimentar éstos.Una cantidad excesiva de AGV en el sistemapuede ser provocada por la presencia deuna carga orgánica muy elevada, por unacaída en la temperatura o por la acumula-ción de mucha espuma, fundamentalmente.

AlcalinidadEl principal sistema químico que regula

el pH de la digestión anaerobia es el sistemadióxidobicarbonato a través de la ecuaciónde equilibrio13:

( H+ ) = K1 . ( H2CO3 ) / ( CO3H- )

La concentración de ácido carbónicoestá relacionada con el por ciento de CO2 enel digestor. La concentración del aniónbicarbonato es aproximadamente equiva-lente a la alcalinidad total para muchas

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aguas residuales que tengan baja la concen-tración de AGV. Sin embargo, cuando laconcentración de AGV comienza a incre-mentarse, éstos son neutralizados por laalcalinidad al bicarbonato y entonces laalcalinidad total está compuesta por ambasalcalinidades, o sea, al bicarbonato y a losAGV. El valor de la alcalinidad en un diges-tor debe estar cercano a los 2 kg/m3, aunqueesto no debe tomarse como un valor cons-tante.

En muchas ocasiones debe añadirseálcali a los digestores para elevar el pH deéstos. La cal es el compuesto más utilizadocon este fin, a pesar de no ser el agente másrecomendable para ello. El exceso de calpuede traer como consecuencias:

• Si la cal no está totalmente mezcladapuede caer al fondo del reactor y solidifi-carse, esto causa problemas en la salidadel sólido o lodo, o puede crear una zonade intensa alcalinidad y destruir la activi-dad microbiana.

• Puede dar lugar a la obtención de un gasde bajo contenido de CO2 según:

CO2 + Ca (OH)2 ------ CaCO3 + H2 O

Si esto ocurre en exceso, pueden presen-tarse dos problemas. Uno se relaciona con elhecho de que al ser elevada la concentra-ción de CaCO3 puede precipitar mucho cre-ando problemas en el digestor, las tuberías,etc. La otra dificultad tiene que ver con ladisminución de CO2 que sirve como aceptorde H2 en el proceso de redox que da origen ala formación de CH4 por lo que al ser peque-ña su concentración se obtendrá una menorcantidad de este compuesto.

Un parámetro muy importante a che-quear en la anaerobiosis de aguas residualeses la relación AGV/Alc existente en el reac-tor, ya que esto brinda información acercadel balance ácido-base presente en elmedio. Se plantea, en general, que este pará-metro debe estar entre 0,5 y 1 para un buenfuncionamiento de los digestores13.

Efecto de la temperaturaEste parámetro influye de manera deci-

siva en el proceso anaerobio, ya que de éldepende mucho las velocidades de reaccióncon las que se lleva a cabo cualquier proce-so biológico, la composición del biogás

debido a la dependencia de la solubilidadde los diferentes gases con la temperatura yel daño que pueda causar a los microorga-nismos presentes en el medio después deciertos valores de ésta9.

Se han definido dos rangos de trabajodonde puede efectuarse satisfactoriamentela anaerobiosis de aguas residuales. Ellosson los siguientes13: • mesofílico entre 20 y 45 °C.• termofílico entre 45 y 60 °C.

La temperatura óptima en cada uno deestos rangos es difícil de predecir, ya quedepende del tipo de residual, de las condi-ciones ambientales, etc. No obstante, se reco-nocen en general como temperaturas ópti-mas las de 35 y 55 °C para los tratamientosmesófilos y termófilos, respectivamente3.

Cuando se trabaja a temperatura ambien-te pueden producirse serias afectaciones enla producción de biogás, ya que en estas con-diciones de operación en ocasiones tienenlugar bastante fluctuaciones en este paráme-tro lo que daña el estado fisiológico de losmicroorganismos presentes en el proceso14.Esto se hace mínimo en climas subtropicalesy tropicales para gran parte del año, lo cualha sido comprobado en los estudios realiza-dos en Cuba con residuales porcinos y enanaerobiosis de residuales de destilería,donde se obtuvo un 9 % más de eficiencia aloperar en rango termófilo y con buena esta-bilidad del proceso15.

Aunque por lo anteriormente planteadoparece ser más conveniente trabajar en elrango termófilo, esto no siempre es exacta-mente así en la práctica por diferentes moti-vos, siendo los principales los siguientes13: • al aplicarse mayor temperatura hay un

gasto mayor de energía en el propio proce-so lo que puede en algunos casos atentarcontra el aprovechamiento energético delbiogás para otros usos.

• los equipos, tuberías, válvulas y acceso-rios en general, son más costosos cuandose trabaja con temperaturas termófilas, asícomo su mantenimiento correspondiente.

• el proceso termófilo requiere de un mayorcuidado ya que los microorganismos quepredominan en éste son mucho más sensi-bles a ligeros aumentos de concentraciónde materia orgánica, cambios de tempera-tura, cantidades de tóxicos en el residual,etc., que los microorganismos mesófilos.

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• en residuales con cantidades significati-vas de nitrógeno puede formarse unamayor cantidad de amonio pudiéndosealcanzar valores tóxicos cuando se empleael proceso termófilo, ya que la concentra-ción de amonio libre se incrementa rápi-damente con la temperatura, siendo éstala forma tóxica del nitrógeno para losmicroorganismos anaerobios.

De acuerdo con todo lo anterior, es reco-mendable estudiar bien las condiciones delresidual a tratar y su comportamiento bajoanaerobiosis para decidir en qué rango sedebe operar.

Seguimiento de la biodigestiónLos principales parámetros utilizados en

la evaluación de un proceso de digestiónanaeróbica son los siguientes:

Volumen y composición de gases produ-cidos, temperatura, pH, ácidos volátiles,alcalinidad, potencial de oxi-reducción,relación DBO/DQO, sólidos totales y voláti-les, relación C/N/P, amoníaco, sulfatos/sulfi-tos, metales pesados y metales alcalinos yalcalinotérreos. Se puede prescindir demuchas de estas determinaciones, depen-diendo de las características del residuo.

En el caso de lodo de desagües prima-rios11, el rango de alcalinidad se sitúa entre2500 y 4000 mg/l como CaCO3, y los ácidosvolátiles oscilan entre 50 y 150 mg/l comoHAc. En cuanto el pH, la mayoría de losautores considera que 6.8 a 7.2 correspondea una condición óptima, aunque la digestiónsólo sea posible entre los límites extremos de6.6 a 7.6. En general, estando los digestoresfuncionando bien, el E. (potencial de oxi-reducción) es del orden de -500 mV, queindica un elevado estado de anaerobiosis ycapacidad reductora del medio. En cuanto alos nutrientes, las proporciones recomenda-das son 11: C/N = 30 y N/P = 53

Otros factores relacionados con la diges-tión anaerobia

En el proceso anaerobio, sólo una peque-ña cantidad de la energía contenida en elsustrato es utilizada en el mantenimiento ycrecimiento celular, quedando una granparte en los productos en forma de biogás.Esto hace que el tiempo de crecimiento sealento, lo que condiciona el diseño y la ope-ración de los digestores anaerobios.

En el caso de efluentes diluidos, estas ven-tajas parecen menos importantes, por la bajaproducción de gas esperada; sin embargo,algunos autores indican reducciones en loscostos de operación del 30 al 60 % cuando seintroduce una o más etapas anaerobias en lossistemas de depuración. Este tratamiento, atemperaturas superiores a 20 ºC, permite efi-ciencias de depuración del 55-75 % en la eli-minación de DQO, del 60-80 % en la elimina-ción de DBO5 (ver tabla 3) y del 67-81 % en laeliminación de SS. La temperatura es una delas variables que más influyen en el proceso,cuya eficacia decrece por debajo de 15 ºC. Poresta razón, el proceso anaerobio está teniendouna especial importancia en los países declima cálido, destacando Brasil que cuentacon mas de 200 instalaciones de este tipo.Igualmente, el potencial de esta tecnología eselevado para su aplicación en muchas áreaseuropeas de clima templado, especialmenteen las áreas próximas al litoral19.

Cinética del Tratamiento AnaeróbicoEcuaciones básicas13

Para un reactor biológico, se expresa:dX/dt: velocidad de crecimiento. X: concentración de sólidos suspendidos

volátiles en el reactor.dS/dt: consumo de sustrato.

Y: rendimiento del proceso. k: velocidad específica de remoción de sus-

trato.KS: constante de afinidad o saturación.S: DBO ó DQO en el efluente.

La determinación de los parámetros Y, b,k y Ks se encuentra descrita por Lettinga ycol, en estudios de laboratorio.

La tabla 4 presenta algunos valores típi-cos obtenidos de un trabajo de Lawrence &McCarty.

En la tabla 5 se presentan los parámetroscinéticos y estequiométricos característicosde diferentes especies y grupos tróficos enprocesos de digestión anaerobia compara-dos con los de otros microorganismos gené-ricos, donde:

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(μmáx) es la velocidad específica máxi-ma de crecimiento que indica la velocidadde crecimiento en condiciones favorablesdonde no hay limitación por sustrato, (YXS)da la fracción de sustrato destinada al creci-miento celular, la constante de afinidad (KS)o saturación, que es la avidez de un grupopor un determinado sustrato y la actividadespecífica máxima (rS), que indica la canti-dad máxima de sustrato utilizada, por uni-dad de biomasa, en la unidad de tiempo.

Debido a la gran candidad de microorga-nismos que intervienen en el proceso anae-robio, hay que delimitar las condicionesambientales óptimas de cada uno de ellos,para optimizar el proceso globalmente.

Se observa, que para el proceso anaerobiolas velocidades de crecimiento son pequeñasy que, dado el bajo rendimiento celular, laconversión de sustrato en masa celular estambién pequeña, por lo que la velocidad degeneración microbiana es lenta. Esto repre-senta una de las ventajas del proceso porquede esta manera la producción de lodo es baja,pero por otra parte supone tiempos de pues-ta en marcha más largos para conseguir la

suficiente cantidad de biomasa, cuando no seinocula el reactor. Además, es necesariomantener una elevada concentración de bio-masa debido a la relativamente baja activi-dad específica máxima que presenta unapoblación anaerobia, 0,5-2,5 g DQO/g SSV.d,sobre todo si se quiere operar a elevadasvelocidades de carga orgánica.

Relación biogás-climaQuizás ésta sea la interacción considera-

da menos habitual. No obstante, la actualproblemática de la afectación de la capa deozono y el incremento del efecto invernade-ro tiene también relación con el biogás. Enmuchos países, ya sea por dificultades,como la falta de solvencia económica paraadquirir y (o) difundir la tecnología, o bienpor cuestiones inherentes a las formas enque se maneja la producción agrícola, al noser recogidos y procesados los desechos decosechas, sobre todo en lugares húmedoscomo las tierras bajas, pantanos y arrozales,ocurre la fermentación anaerobia de maneranatural. Al descomponerse la materia orgá-nica y producirse biogás, significa el ingre-

ICIDCA No. 1, 200544

. Valor de los parámetros cinéticos citando Lawrence y McCarty. Sustrato Y

(mg/mg) B(d-1) K

(mg/mg.d) Ks

(mg/l) T

(°C) Acetato 0.04

0.054 0.058

0.015 0.011 0.037

36 4.7 4.3

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Propionato 0.04 0.04

0.015 0.04

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20 25

Estearato Palmitato 0.04 0.015 385 4620 20

Tabla.5. Parámetros cinéticos y estequiométricos19. ì m

(d-1) YXS

g SSV/g DQO KS

g DQO/l rS

g DQO/g SSV.d Acidogénicos (APOH) Metanogénicos (Acetoclastos)

Methanotrix sp. Methanosarcina sp

Sulfato-reductoras (BSR) Biomasa digestor anerobio*

2.0

0.16 0.45 4-6

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Bacterias (genérico) Levaduras (aerobio)

2.4-40 48-80

0.50 0.5-0.8

(*) Valores típicos para la biomasa de un digestor anaerobio que trate efluentes complejos

so a la atmósfera de un mayor porcentaje demetano (superior al necesario para el equili-brio natural), junto con el dióxido de carbo-no los cuales incrementan el sobrecalenta-miento de la atmósfera y, por ende, afectana la larga el clima en el planeta. Aquí esdonde debe recordarse que, aunque ambosgases se encuentran dentro del conjunto delos denominados gases de efecto invernade-ro, es preferible recuperar el metano y com-bustionarlo, para obtener un efecto útilcomo portador energético, en lugar de dejar-lo escapar a la atmósfera y contribuir alcalentamiento global de la Tierra, sin haberrealizado antes algún beneficio en la activi-dad del hombre2;20.

Ventajas y desventajas de la digestiónanaerobia

El tratamiento anaerobio de las aguasresiduales de producciones alimenticias, delas bebidas y de las industrias farmacéuticastiene muchas ventajas comparadas a otrosmétodos de tratamiento: 19;22

• El consumo de energía es muy bajo con eltratamiento anaerobio. Por ejemplo, notiene que ser provisto oxígeno y no esnecesario un mezclado intenso.

• La mayoría del material orgánico en elagua residual se convierte en biogás, quepuede ser combustionado con el fin deobtener energía o vapor. La energía sepuede utilizar en la planta de producciónde biogás o se puede proveer a la red de laenergía.

• La producción de lodo en el tratamientoanaerobio es muy baja (ya estabilizados yespesados), porque la mayoría del mate-rial orgánico se convierte en biogás, no enlodo. Además, el lodo anaerobio se estabi-liza y se puede desecar fácilmente por gra-vedad. Se puede utilizar para la arrancadade nuevos reactores anaerobios, o sepuede utilizar como bioabono en la tierra.Los gastos de transportación del lodo sonpor consiguiente mínimos.

• Son sistemas que asimilan altas y bajascargas orgánicas.

• La remoción de materia orgánica seencuentra entre el 60 y 80 % según el tipode agua residual.

• El lodo anaerobio puede ser almacenado yconservado fácilmente, lo que simplificalos arranques sucesivos después de para-

das o los períodos con cargas orgánicasreducidas.

• Existe la posibilidad de trabajar a tiemposde retención hidráulicos muy bajos, o loque es igual, se necesitan menores volú-menes de instalación, abaratando lasinversiones.

• Los costos de inversión son bajos, porquese aplican altas cargas orgánicas al reactory los tiempos de la retención son cortos.Además, el diseño y la construcción de unreactor anaerobio es simple, lo que reduceaún más los costos.

El tratamiento anaerobio es lo máscomúnmente aplicado como pre-tratamien-to para las aguas residuales concentradas.Los efluentes en el tratamiento anaerobiotodavía contienen un poco de material orgá-nico, a pesar de la altas eficacias de trata-miento por lo que el post-tratamiento esnecesario en muchos casos.

Desventajas19;22

• El proceso anaerobio no permite conse-guir la calidad de efluente que se puedealcanzar en una planta de lodos activos yotros sistemas aerobios, pero sí permiteeliminar gran parte de los SS y de la DQOy/o DBO5, incluso en una sola etapa, quesustituiría al decantador primario, aldigestor de lodos activos (aerobio) y aldigestor anaerobio de estabilización delodos.

• Requerimiento de un lodo granular paraarranques rápidos. Arranque lento (seismeses) en caso de no contar con lodosinoculados.

• En ocasiones, hay presencia de malos olo-res, para lo cual se requiere de un sistemasimple de control.

Subproductos del tratamiento anaeróbicoLos principales productos del proceso de

digestión anaerobia, trabajando en sistemasde alta carga orgánica y en mezcla completa,son el biogás y un efluente estabilizado.

BiogásEs una mezcla gaseosa formada princi-

palmente por2: metano y dióxido de carbo-no y pequeñas proporciones de otros gases,como H2S, H2, NH3. También se citan peque-ños por cientos de N2, H2 y O2.

La composición o riqueza del biogásdepende del material digerido y del funcio-

ICIDCA No. 1, 2005 45

namiento del proceso. En la tabla 6 se mues-tran valores medios de composición del bio-gás en función del substrato utilizado20.

El potencial calórico inferior del biogás19

es aproximadamente de 5250 kcal/m3, parauna riqueza en metano de 60 %.

El aprovechamiento del biogás produci-do en los digestores sólo presenta interéseconómico cuando se trata de grandes plan-tas. Su conversión en electricidad resultainteresante en el caso de plantas de capaci-dad equivalente a 20.000 habitantes equiva-lentes. En pequeñas instalaciones, la utili-zación del gas plantea problemas de manejoy se consideran interesantes el aprovecha-miento del biogás, indicando que puedesatisfacer necesidades básicas, en comuni-

dades pequeñas, como en cocinas o enalumbrados2.

La remoción de patógenos, en reactorestipo UASB exige mayor investigación1, sinembargo, presentan informaciones de remo-ción de coliformes total y fecal del orden deun ciclo en la fase líquida del efluente delreactor11.

EfluenteLas características del efluente, depen-

den mucho del tipo de sistema, pero tratan-do con sistemas de mezcla completa y conresiduos orgánicos, se puede decir que elefluente es la mezcla del influente estabili-zado y la biomasa microbiana producida.Durante el proceso anaerobio parte de la

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. Componentes del biogás en función del substrato utilizado .

Componente Residuos agrícolas

Lodos de depuradora

Residuos industriales

Gas de vertedero

Metano 50-80 % 50-80 % 50-70 % 45-65 % Dióxido de carbono 20-50 % 20-50 % 30-50 % 34-55 % Agua Saturado Saturado Saturado Saturado Hidrógeno 0-2 % 0-5 % 0-2 % 0-1 % Sulfuro de hidrógeno 100-700 ppm 0-1 % 0-8 % 0.5-100 ppm Amoníaco Trazas Trazas Trazas Trazas Monóxido de carbono 0-1 % 0-1 % 0-1 % Trazas Nitrógeno 0-1 % 0-3 % 0-1 % 0-20 % Oxígeno 0-1 % 0-1 % 0-1 % 0-5 %

Compuestos orgánicos Trazas Trazas Trazas 5 ppm (terpenos,

esteres...)

. Consumo de biogás en algunas actividades

Quemador Ø 2" 0,32 m3/h Por persona/día 0,33 m3/día Cocina 02 quemadores inyector Ø2,0"1 0,50 m3/día

Horno Cocina doméstica 0,44 m3/hora Quemador inyector Ø1,11 0,077 m3/h Refrigerador Porte mediano 2,20 m3/día

Motor Ciclo Otto 0,45 m3/HP-hora Ducha a gas Para baño 0,80 m3 Incubadora Espacio interno 0,60 m3/h Campana de rayos infra-rojos 1.500 Kcal inyector Ø2,01 0,162m3/h Calentamiento de agua 100 °C 0,08 m3/t Electricidad 1 Kw/h 0,62 m3/h Observaciones: 1 Medidas de "Jackwall" para presión de 150 mm de agua 2 Estos valores representan un promedio de 8 autores 3 En cada camada de 1000 pollitos de un día (recibiendo calor por 15 días), se utilizan

cerca de dos cilindros de 13 kg en el verano y cerca de tres cilindros en el invierno de GLP (gas/licuado de petróleo).

materia orgánica se transforma en metano,por lo que el contenido en materia orgánicaes menor que en el influente. Se trata, ade-más, de un producto más mineralizado queel influente, con lo que normalmenteaumenta el contenido de nitrógeno amonia-cal y disminuye el nitrógeno orgánico.

Cuando el estiércol animal se usa comosustrato en los biodigestores, generalmenteen los de diseño convencional, prácticamuy difundida en la zona rural, el efluentelíquido puede ser utilizado como bioabonodebido a aspectos como son la disminuciónde la relación C/N y la solubilización dealgunos nutrientes11.

CONCLUSIONES

En la actualidad el tratamiento anaero-bio está muy difundido dada sus ventajastécnico- económicas, no obstante hay quecontrolar diferentes factores que influyenen el proceso y que son imprescindiblespara su buen funcionamiento como son:composición del residual, temperatura, pH,entre otros.

Este tipo de sistema asimila altas y bajascargas orgánicas. La materia prima preferen-temente utilizada para ser sometida al pro-ceso de degradación, es cualquier biomasaresidual que posea un alto contenido enhumedad, no obstante de que también pue-den ser digeridos substratos sólidos conconcentraciones elevadas de sólidos totalescomo son los residuales de la industria ali-menticia, agrícola entre otros.

Dependiendo de las sustancias que con-formen el residual (orgánicas e inorgánicas)así será su biodegradación. Ocurre que enalgunos casos, el residual obtenido de estetratamiento no se degrada totalmente hastalos niveles permisibles para ser vertido enun curso receptor; siendo entonces necesa-rio un postratamiento.

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