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Integración de metanogénesis y desnitrificación en un reactor UASB para
recuperación de aguas en riego
Javier Mateo-Sagasta Dávila
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Contenidos
Introducción
Objetivos
Experimento 1
Experimento 2
Conclusiones
Materiales y métodos
Resultados y discusiones
Materiales y métodos
Resultados y discusiones
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Introducción
Problemática frecuente en las cuencas españolas.
Desequilibrio entre oferta y demanda de agua
Vertidos inadecuadamente tratados
Déficit
Contaminación de masas de agua
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Perspectivas poco halagüeñas en ausencia de medidas correctoras.
Crecimiento de la población y de las actividades económicas
Creciente demanda de recursos hídricos
Creciente cantidad de volúmenes vertidos
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Introducción
Uso de agua residual regenerada en agricultura
EDARsCoste-eficaces
Medidas integrales
Regeneración de aguas residuales para su uso en riego.
Basadas en:
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Ventajas:•Compacto y bajo coste
•Baja producción de lodos
•Producción de biogás
•Baja demanda energética
Manteniendo•Alta eficiencia en eliminación de MO y SV
•Capacidad filtrante
Limitaciones:•No elimina nutrientes (p.e. N)
•No elimina patógenos (E. colli)
UASB (lecho de lodo anaerobio ascendente)
Introducción
Lecho de lodo
Influente
Biogás
Efluente
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Sistema sencillo
Se cierran los ciclos de agua y nutrientes
Introducción
(Aeróbico) (Anaeróbico) Biodiscos
N2
Biodiscos
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Consideraciones sobre desnitrificación en un UASB
•Un crecimiento del potencial redox podría inhibir la metanogénesis
•Los intermediarios de la desnitrificación son tóxicos para los metanógenos
(NO-3 → NO-
2 → NO → N2O → N2 )
Introducción
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Objetivos
Explorar la integración de metanogénesis y desnitrificación en un reactor UASB
1. Puesta en marcha y seguimiento del comportamiento de un reactor UASB a escala de laboratorio integrando metanogénesis y desnitrificación.
2. Evaluar la presencia de actividad desnitrificadora en lodos metanogénicos.
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Experimento 1Reactor UASB (27 °C)
Reactor UASB
• Puesta en marcha y seguimiento del comportamiento de un reactor UASB integrando metanogénesis y desnitrificación.
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Equipo:1. Bidón del influente
2. Bomba peristáltica
3. Reactor UASB
4. Bolsa colectora de gas
5. Bidón del efluente
6. Termostato
2
1
3
4
56
Inóculo:Lodo anaeróbico extraído de un reactor UASB operado en condiciones reales
Reactor UASB: Materiales y métodos
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Influente
Etapa Metanogénica Agua residual sintética (1,5 g DQO/l)
(Acetato, propionato y glucosa)El 80% del DQO usado en metanogénesis, 20% usado en desnitrificación
Idem + 56 mg NO3-N/l
Etapa Met/ Desnit. DQO/N = 26
Monitorización:
Influente y Efluente (DQO, AGV, NO3)
Gas (producción y composición)
Lodo (SV, ST, Actv metanogénica, actv. desnitrificadora)
Reactor UASB: Materiales y métodos
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Comportamiento del UASB
Etapa metanogénica
Comportamiento metanogénico bueno y estable
DQOsol R = 92 %
Acetato R = 96 %
Propionato R = 92 %
80 % CH4
Lodo
Actv. Metanogénica: 1,4 (g CH4-DQO/gSV/d)
Actv. Desnitrificadora: 2,1 (mg NO3-N/gSV/h)
Reactor UASB: Resultados y discusiones
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Etapa Metanogénico/Desnitrificadora
0
20
40
60
80
100
231 236 241 246 251 256
Tiempo (días)
[N
O 3-N
](mg/
l)
0
20
40
60
80
100
Efic
ienc
ia d
e el
im
Inlet NO3-NOutlet NO3-N%R
Eliminación de nitrato
1. Completa desnitrificación
La actividad desnitrificadora en el lodo metanogénico se mantuvo en la etapa metanogénica (sin NO3
-)
Reactor UASB: Resultados y discusiones
Puesta en Marcha
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2. Inhibición temporal de metanogénesis
Acusadas caídas en la eliminación de acetato y % de CH4
Inhibición de la metanogénesis
Acumulación transitoria de los intermediarios de la desnitrificación (NO2, NO, N2O)
Shock por incremento del potencial redox
0
200
400
600
800
1000
220 225 230 235 240 245 250
[ace
tato
] (m
g/l)
0
20
40
60
80
100
%R
Inlet acetateOutlet acetate%R
Composición del biogás
Eliminación de acetato
NO3-
NO3-
Etapa Metanogénico/Desnitrificadora
Puesta en Marcha
Reactor UASB: Resultados y discusiones
0102030405060708090
220 225 230 235 240 245 250
Time (days)
porc
enta
jes
de g
ases
N2%
CH4%
Tiempo (días)
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Comportamiento estable
Tras tres días de adición de nitrato:
DQOsol R = 91%
Acetato R =97,4%
Propionato = 97,6%
NO3-N R = 97,5%
% CH4 = 73%
% N2 = 8,4%
Rápida adaptación del sistema
0
200
400
600
800
1000
220 225 230 235 240 245 250
[ace
tato
] (m
g/l)
0
20
40
60
80
100
%R
Inlet acetateOutlet acetate%R
0102030405060708090
220 225 230 235 240 245 250
Tiem po (days)
porc
enta
jes
de g
ases
N2%
CH4%
Composición del biogás
Eliminación de acetato
Balance de masas:El exceso de C, no utilizado en desnitrificación, fue convertido a CH4
Etapa Metanogénico/Desnitrificadora
Reactor UASB: Resultados y discusiones
0102030405060708090
220 225 230 235 240 245 250
Time (days)
porc
enta
jes
de g
ases
N2%
CH4%
Tiempo (días)
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El exceso de C, no utilizado en la desnitrificación, fue convertido a CH4 debido a la formación de gradientes de NxOy y/o potencial redox
Reactor de flujo en pistón
Metanogénesis
Desnitrificación
Biofilms desnitrificadores alrededor de los flóculos de lodo
Estratificación del hábitat
Eo y/o NxOy
metanogénesis
desnitrificación
Umbral metanogénesis
Reactor UASB: Resultados y discusiones
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Reactores CSTR
Experimento 2
Reactores de Mezcla Completa (CSTRs) en continuo
• Evaluar la presencia de actividad desnitrificadora en el lodo metanogénico.
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Los reactores de mezcla completa no permiten la inmovilización de lodos
Hipótesis
Los desnitrificadores eventualmente presentes en el inóculo se lavarían del
sistema
Inóculo:•Lodo primario EDAR
•Lodo UASB
Reactores CSTR: Materiales y métodos
Influente:•Lodo primario
•Agua Residual Sintética
Sin nitratos, nitritos ni óxidos de nitrógeno
Digestión “batida” y prolongada durante meses
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Reactores CSTR: Resultados
0
100
200
300
400
500
0 2 4 6 8 10 12Tiempo (días)
CH4-CODN2
0
150
300
450
600
750
0 2 4 6 8 10 12T iempo (días)
g/l
CH4-CODN2
Blanco (sin NO-3) Con 75 mg NO-3-N/l
Tests de desnitrificación con lodo de los reactores de mezcla completa
Microorganismos capaces de desnitrificar subsistieron en el lodometanogénico desarrollado en los reactores de mezcla completa sin recibir nitrato.
Sobrevivir en condiciones anaeróbicas estrictas con bajos niveles de fermentación?
Pulsos de oxígeno?
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Conclusiones
1. La presencia de actividad desnitrificadora en lodo metanogénico es la regla y no la excepción.
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2. Los sistemas UASB tienen un gran potencial para integrar la desnitrificación y la metanogénesis en un único
reactor.
Altas tasas de eliminación de DQO y N
Buena calidad del biogás
Baja producción de lodos
Segregación del hábitat entre desnitrificadores y
metanógenos
Conclusiones
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3. El sistema propuesto es compacto, flexible, relativamente simple y barato, de baja demanda
energética y a la vez de una eficiencia elevada y bien adaptado para riego.
Conclusiones
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GRACIAS POR SU ATENCIÓN