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Tutor académico: Daniel Prats Rico

Tutor de empresa: Abel Seller Suárez

Septiembre 2013

Estudio de los efectos del pH extremo

por adición de NaOH sobre la

producción y calidad del biogás y otros

parámetros de la digestión anaerobia

urbana

Máster en Gestión Sostenible y Tecnologías del Agua

Instituto Universitario del Agua y de las Ciencias Ambientales

TRABAJO FIN DE MÁSTER

Pedro Alfonso Bote Tello

Estudio de los efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y calidad del biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana

CERTIFICADO

D. Daniel Prats Rico, Director del Instituto Universitario del Agua y de las

Ciencias Ambientales y Catedrático del Departamento de Ingeniería Química,

Certifica que el presente Trabajo Fin de Máster titulado “Estudio de los

efectos del pH extremo por adición de NaOH sobre la producción y

calidad del biogás y otros parámetros de la digestión anaerobia urbana”

ha sido realizado en la empresa Depuración de Aguas del Mediterráneo S.L.

bajo mi supervisión, por D. Pedro Alfonso Bote Tello, y que reúne las

condiciones de calidad y rigor científico para que pueda ser presentado y

defendido ante la Comisión correspondiente.

En Alicante, a 20 de septiembre de 2013

Fdo.: D. Daniel Prats Rico


II

ÍNDICE

1. RESUMEN.............................................................................................................................. 1

2. INTRODUCCIÓN. ................................................................................................................. 2

2.1. Origen y composición de fangos. ..................................................................................... 2

2.2. El proceso de digestión anaerobia. ................................................................................ 3

2.2.1. Introducción al proceso. .................................................................................................. 3

2.2.2. Etapas de la digestión anaerobia. ................................................................................. 3

2.2.3. Factores que influyen al proceso de digestión anaerobia. ........................................ 6

2.2.4. Tipología de procesos. .................................................................................................. 14

2.3. Composición del biogás................................................................................................... 19

2.4. La estación de aguas residuales Novelda – Monforte del Cid. ................................. 20

2.4.1. Generalidades. ............................................................................................................... 20

2.4.2. Línea de agua. ................................................................................................................ 22

2.4.3. Línea de fangos .............................................................................................................. 27

3. OBJETO Y ALCANCE DEL TRABAJO. .......................................................................... 31

4. DESCRIPCIÓN DEL DIGESTOR PILOTO. .................................................................... 32

4.1. Descripción del sistema. .................................................................................................. 32

4.1.1. Línea de fangos. ............................................................................................................. 32

4.1.2. Línea de gases. .............................................................................................................. 36

4.1.3. Sistema de control. ........................................................................................................ 38

4.2. Esquema global del sistema. .......................................................................................... 40

5. PROCEDIMIENTO DEL TRABAJO. ................................................................................ 41

5.1. Puesta en marcha del digestor: cálculo del caudal de alimentación. ....................... 42

5.2. Proceso de alimentación del digestor piloto. ................................................................ 43

5.3. Toma de muestras de fango. .......................................................................................... 45

5.4. Dosificación de hidróxido de sodio al proceso de digestión anaerobia. .................. 46

5.4.1. Fundamento. ................................................................................................................... 46

5.4.2. Cálculo de la dosificación de hidróxido de sodio. ..................................................... 47

5.4.3. Procedimiento de dosificación de hidróxido de sodio. ............................................. 48

5.5. Metodología de los análisis realizados. ........................................................................ 48

5.5.1. Determinación de la alcalinidad total (TAC) y la acidez volátil (AGV). .................. 48

5.5.2. Determinación de la demanda química orgánica (DQO) en fangos. ..................... 53


III

5.5.3. Determinación del pH en fangos. ................................................................................ 55

5.5.4. Determinación de los sólidos totales del fango. ........................................................ 57

5.5.5. Determinación de los sólidos volátiles del fango. ..................................................... 60

5.5.6. Determinación del contenido en sulfuro de hidrógeno (H2S) y dióxido de carbono

(CO2) del biogás. ...................................................................................................................... 63

5.6. Control del biogás producido. ......................................................................................... 65

6. RESULTADOS Y DISCUSIÓN. ........................................................................................ 66

6.1. Primera fase. ..................................................................................................................... 66


6.1.2. Determinación de la demanda química de oxígeno en fangos (DQO). ................. 69


6.1.4. Determinación de los sólidos totales (MS) y volátiles (MV) del fango. .................. 73

6.1.5. Control del biogás producido. ....................................................................................... 76

6.2. Segunda fase. ................................................................................................................... 77


6.2.2. Determinación de la demanda química de oxígeno en fangos (DQO). ................. 78


6.2.4. Determinación de los sólidos totales (MS) y volátiles (MV) del fango. .................. 83

6.2.5. Control del biogás. ......................................................................................................... 86

6.2.6. Determinación de la composición del biogás. ........................................................... 87

7. CONCLUSIONES. ............................................................................................................... 89

8. BIBLIOGRAFíA. ................................................................................................................... 90


IV

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 2.1. Composición típica de un fango urbano ....................................................... 2

Tabla 2.2. Principales ácidos grasos presentes durante la digestión ............................ 5

Tabla 2.3. Bacterias involucradas en la digestión anaerobia ........................................ 6

Tabla 2.4. Efecto de la temperatura en el tiempo de retención ..................................... 8

Tabla 2.5. Relación C/N para diversos sustratos ........................................................ 10

Tabla 2.6. Concentración de inhibición y toxicidad de metales pesados ..................... 12

Tabla 2.7. Concentración límite de cationes en sistemas anaerobios ......................... 13

Tabla 2.8. Comparación de los parámetros de diseño de un sistema de separación de

fases con uno de alta carga ........................................................................................ 18

Tabla 2.9. Composición del biogás en función del substrato utilizado ........................ 19

Tabla 2.10. Producción de biogás en función del substrato utilizado .......................... 19

Tabla 5.1. Caudal de alimentación del digestor de la planta. Fuente: DAM S.L. ......... 42

Tabla 6.1.Resultados de TAC y AGV de los fangos del digestor piloto. ...................... 67

Tabla 6.2. Resultados TAC y AGV de los fangos digeridos del digestor de planta. .... 67

Tabla 6.3. Variación del TAC y AGV de los fangos del digestor piloto con respecto a

los fangos del digestor de planta. ............................................................................... 67

Tabla 6.4. Resultados de DQO para los fangos digeridos del digestor piloto y del de la

planta. ......................................................................................................................... 69

Tabla 6.5. Variación de la DQO de los fangos del digestor piloto con respecto a los

fangos del digestor de planta. ..................................................................................... 70

Tabla 6.6. Resultados de DQO de los fangos mixtos de alimentación. ....................... 71

Tabla 6.7. Resultados de pH de los fangos digeridos del digestor piloto y del digestor

de la planta. ................................................................................................................ 71

Tabla 6.8. Variación del pH de los fangos del digestor piloto con respecto a los fangos

del digestor de planta. ................................................................................................. 72

Tabla 6.9. Resultados de pH de los fangos mixtos de alimentación. .......................... 73

Tabla 6.10. Resultados de MS y MV de los fangos digeridos del digestor piloto y del

digestor de la EDAR. .................................................................................................. 73

Tabla 6.11. Variación del MS y MV de los fangos del digestor piloto con respecto a los

fangos del digestor de planta. ..................................................................................... 73

Tabla 6.12. Resultados de sólidos totales y volátiles de los fangos mixtos de

alimentación. .............................................................................................................. 75

Tabla 6.13. Control de la producción de biogás por el digestor piloto. ........................ 76

Tabla 6.14. Resultados TAC y AGV de los fangos digeridos del digestor piloto. ......... 78

Tabla 6.15. Resultados de DQO de los fangos digeridos del digestor piloto. .............. 79

Tabla 6.16. Resultados de DQO de los fangos mixtos para alimentación del digestor

piloto. .......................................................................................................................... 79

Tabla 6.17. Resultados de pH de los fangos digeridos del digestor piloto. ................. 81

Tabla 6.18. Resultados de pH de los fangos mixtos del digestor piloto....................... 82

Tabla 6.19. Resultados de MS y MV de los fangos digeridos del digestor piloto. ........ 83

Tabla 6.20. Resultados de MS y MV de los fangos mixtos para alimentación del

digestor piloto. ............................................................................................................ 84

Tabla 6.21. Control de la producción de biogás por el digestor piloto. ........................ 86

Tabla 6.22. Composición del biogás producido. ......................................................... 88


V

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 2.1. Fases de la digestión anaerobia. (IDAE 2007) ........................................... 4

Figura 2.2. Dependencia de la constante de crecimiento de la temperatura ................ 7

Figura 2.3. Reactor de baja carga .............................................................................. 15

Figura 2.4. Reactor de alta carga de etapa única ....................................................... 16

Figura 2.5. Reactor de alta carga de doble etapa ....................................................... 16

Figura 2.6. Contacto anaeróbico ................................................................................ 17

Figura 2.7. Sistema de separación de fases .............................................................. 18

Figura 2.8. Plano de situación de los colectores ........................................................ 21

Figura 2.9. Esquema de procesos EDAR Novelda - Monforte del Cid ........................ 22

Figura 2.10. Sección transversal de un espesador de gravedad circular .................... 28

Figura 2.11. Sección transversal de un espesador de flotación circular) .................... 28

Figura 2.12. Esquema de centrífuga para deshidratación de fangos .......................... 30

Figura 4.1. Instalación y detalle de la resistencia. ...................................................... 35

Figura 4.2. Válvula de alivio de presión. ..................................................................... 37

Figura 4.3. Captura del SCADA del digestor piloto. .................................................... 38

Figura 4.4. PLC del digestor piloto. ............................................................................ 39

Figura 4.5. Esquema global del sistema. (Elaboración propia) ................................... 40

Figura 4.6. Digestor piloto, visto desde el terciario. .................................................... 41

Figura 5.1. Conducción para el llenado de los bidones. Fuente: Vera, 2013. ............. 44

Figura 5.2. Llenado del bidón. .................................................................................... 45

Figura 5.3. Tubos de centrífuga con muestra de fango. ............................................. 50

Figura 5.4. Vasos de precipitados con sobrenadante resultante de la centrifugación. 50

Figura 5.5. Tubos en el interior de la centrífuga. ........................................................ 51

Figura 5.6. Inicio de la valoración ácido - base. .......................................................... 51

Figura 5.7. Ebullición del sobrenadante. .................................................................... 52

Figura 5.8. Cubeta para medición de DQO. ............................................................... 54

Figura 5.9. Cubetas de DQO tras la digestión en el termostato. ................................. 54

Figura 5.10. Medición de DQO en el espectrofotómetro. ............................................ 55

Figura 5.11. Medición del pH en fango digerido. ........................................................ 57

Figura 5.12. Desecador con crisoles de fango. .......................................................... 59

Figura 5.13. Pesada del crisol con muestra (P3). ........................................................ 59

Figura 5.14. Pesado de crisol para mufla en báscula (P1). ......................................... 61

Figura 5.15. Extracción del crisol de la mufla y enfriamiento del mismo en el

desecador. .................................................................................................................. 62

Figura 5.16. Muestras de fango calcinadas en mufla (P3). ......................................... 62

Figura 5.17. Bomba manual de pistón y tubos colorimétricos. .................................... 64

Figura 5.18. Tabla de toma de datos para el control de biogás producido. ................. 65

Figura 6.1. Representación de la alcalinidad total para el digestor piloto y para el de

planta y su porcentaje de variación. ............................................................................ 68

Figura 6.2. Representación de la acidez volátil para el digestor piloto y para el de


Figura 6.3. Representación de la DQO para el digestor piloto y el de planta y su

porcentaje de variación. .............................................................................................. 70


VI

Figura 6.4. Representación del pH para el digestor piloto y para el de planta y su

porcentaje de variación. .............................................................................................. 72

Figura 6.5. Representación de los sólidos totales para el digestor piloto y para el de


Figura 6.6. Representación de los sólidos volátiles para el digestor piloto y para el de


Figura 6.7. Producción de biogás del digestor piloto durante la primera fase de

investigación. .............................................................................................................. 77

Figura 6.8. Representación de la DQO para el fango mixto y para el fango mixto con

NaOH y su porcentaje de variación. ............................................................................ 80

Figura 6.9. Representación del pH para el fango mixto y para el fango mixto con

NaOH y su porcentaje de variación. ............................................................................ 82

Figura 6.10. Representación de los sólidos totales (MS) para el fango mixto y para el

fango mixto con NaOH y su porcentaje de variación. .................................................. 84

Figura 6.11. Representación de los sólidos volátiles (MV) para el fango mixto y para el

fango mixto con NaOH y su porcentaje de variación. .................................................. 85

Figura 6.12. Producción de biogás del digestor piloto durante la segunda fase de

investigación. .............................................................................................................. 87


VII


1

1. RESUMEN.

La presente memoria recoge el estudio llevado a cabo por el autor del mismo

durante la realización de las prácticas en la EDAR Novelda – Monforte del Cid,

la empresa encargada de su explotación es la UTE SAV-DAM. El período de

prácticas ha sido aproximadamente de dos meses, desde el 10 de junio al 14

de agosto, en horario de mañana, de 8:30 a 13:30, abarcando un total de 240

horas.

El presente estudio, ha surgido de la necesidad de la empresa de experimentar

con su propio sistema de estabilización de fangos, para mejorar el rendimiento

general del mismo. Es por ello que la empresa cuenta con un digestor

anaerobio piloto, este sistema es análogo al de la planta y a pequeña escala,

permite la experimentación sin poner en peligro el funcionamiento del proceso

de estabilización por digestión anaerobia de fangos de la planta.

Cabe comentar que el estudio se ha organizado en dos etapas, por lo que se

podrán diferenciar dos objetivos.

El primero de ellos, es la puesta en marcha del digestor anaerobio piloto. Para

ello se persigue, que el digestor piloto sea capaz de trabajar con los mismos

parámetros de funcionamiento que el digestor anaerobio de planta, logrando la

estabilidad del proceso de digestión anaerobia en el digestor piloto. Por lo que

para ello, este ha sido alimentado con los mismos fangos mixtos con los que se

ha alimentado el digestor anaerobio de planta. Asimismo, se han llevado a

cabo, distintos análisis que han permitido comparar ambos sistemas.

Finalmente, se ha concluido que el digestor anaerobio piloto es capaz de

reproducir de una manera aproximada el funcionamiento del digestor anaerobio

de la planta. También cabe comentar que se ha logrado estabilizar el proceso.

Conseguida la estabilidad del proceso, el siguiente objetivo es el estudio de los

efectos del pH extremo, sobre el proceso de digestión anaerobia urbana. Para

ello se añadió hidróxido de sodio como aditivo al proceso, variando su dosis

progresivamente, de menor a mayor cantidad. Entre los parámetros analizados,

se investigará la producción y calidad del biogás obtenido. Se ha concluido que

a la vista de los resultados observados, el incremento progresivo de pH, ha

desestabilizado el proceso de digestión anaerobia, lo que ha afectado

negativamente a la producción de biogás y a la calidad del mismo.


2

2. INTRODUCCIÓN.

2.1. Origen y composición de fangos.

Los fangos procedentes de la depuración de aguas urbanas (E.D.A.R.) están

compuestos principalmente por tres grupos de sustancias orgánicas:

carbohidratos, proteínas y lípidos.

Estos fangos, que constituyen un sustrato complejo, se pueden caracterizar

generalmente por dos fracciones bien diferenciadas:

Fango primario: es el fango procedente de los decantadores primarios. Se

caracteriza por presentar un mayor porcentaje relativo de lípidos y un menor

porcentaje de proteínas respecto al fango secundario.

Fango secundario: es el fango procedente de los decantadores secundarios,

situados inmediatamente después del tratamiento biológico de la planta, por lo

que este fango contiene una fracción muy elevada de biomasa. Al tener la

biomasa heterótrofa una composición siempre similar, independientemente de

la línea de tratamiento de aguas que se utilice, el fango secundario tendrá

también una composición similar con independencia de la línea de tratamiento

de aguas donde se genere. Su componente mayoritario son proteínas. La

fracción de DQO inerte debería ser superior a la que presenta el fango primario

y depende del nivel de tratamiento biológico de aguas que exista en la E.D.A.R.

y de la edad del fango del mismo.

La mezcla de ambos fangos se conoce como fangos mixtos.

La siguiente tabla muestra la composición típica de los diferentes fangos

urbanos.

Tabla 2.1. Composición típica de un fango urbano. (Margarita Jover, 2012)

Composición Fangos primarios Fangos secundarios (Fangos activados)

Fangos digeridos (Mezcla)

SS (g/hab·d) 30-36 18-29 31-40 Contenido de agua (%) 92-96 97,5-99,5 92-96 SSV (%SS) 70-80 80-90 55-65 Lípidos (%SS) 12-16 3-5 4-12 Proteínas (%SS) 4-14 20-30 10-20 Carbohidratos (%SS) 8-10 6-8 5-8 pH 5,5-6,5 6,5-7,5 6,8-7,6 Fósforo (%SS) 0,5-1,5 1,5-2,5 0,5-1,5 Nitrógeno (%SS) 2-5 1-6 3-7 Bacterias patógenas (Nº por 100 ml)

103-105 100-1000 10-100

Organismos parásitos (Nº por 100 ml)

8-12 1-3 1-3

Metales pesados (%SS) (Cr, Zn, Pb, Cu, Cd, Ni)

0,2-2 0,2-2 0,2-2


3

2.2. El proceso de digestión anaerobia.

2.2.1. Introducción al proceso.

La digestión anaerobia es un proceso microbiológico, mediante el cual la

materia orgánica compleja, en ausencia de oxígeno, y mediante la acción de un

grupo de bacterias específicas, se degrada hasta la formación de una mezcla

gaseosa, que está formada mayoritariamente por metano y dióxido de carbono,

que recibe el nombre de biogás.

La materia orgánica original está compuesta principalmente por hidratos de

carbono, lípidos y proteínas, y después de su fermentación da lugar a la

formación de unos lodos en los que se encuentran unos componentes difíciles

de degradar y una mezcla de productos minerales, compuestos principalmente

por nitrógeno, fósforo, potasio, etc.

En los procesos anaerobios, el 90 % de la energía, contenida en la materia

orgánica, medida como demanda química de oxígeno (DQO), es convertida en

biogás y el 10% restante es asimilado para la generación de nuevas células.

Los modelos tradicionales de digestión anaerobia, dividen las reacciones que

ocurren durante el proceso de mineralización de la materia orgánica en varias

fases, llevadas a cabo por la combinación de la actividad metabólica de

diferentes grupos de bacterias, anaerobias facultativas y anaerobias estrictas.

2.2.2. Etapas de la digestión anaerobia.

Podemos diferenciar entre cuatro fases o etapas en las que transcurre el

proceso de digestión anaerobia (figura 2.1):

1. Etapa hidrolítica.

2. Etapa fermentativa o acidogénica.

3. Etapa acetogénica.

4. Etapa metanogénica.

En la etapa hidrolítica, la materia orgánica compleja, de alto peso molecular,

como son los hidratos de carbono, las proteínas y lípidos son hidrolizados

mediante la acción de enzimas extracelulares producidas por las bacterias

hidrolíticas. Los productos de esta reacción son compuestos solubles más

sencillos, de bajo peso molecular, como los aminoácidos, ácidos grasos de

cadena larga, azúcares y alcoholes, los cuales serán transportados a través de

la membrana celular, para ser metabolizados por las bacterias anaerobias.

La etapa hidrolítica puede ser la etapa limitante de la velocidad global del

proceso, y está íntimamente relacionada con la naturaleza del sustrato, la

temperatura, el pH y la carga orgánica. De hecho, el tiempo de retención de

sólidos (TRS) y la temperatura del proceso son parámetros clave que controlan


4

la estabilización de los polímeros orgánicos del fango y, consecuentemente,

determinan el dimensionamiento de los digestores anaerobios (Huete, 2007).

Los fangos biológicos (secundarios) son más difíciles de digerir que los fangos

primarios, esto es debido a que el fango secundario está compuesto

mayoritariamente por material celular, sustancias poliméricas extracelulares

(EPS) y cationes, en vez de por compuestos más fácilmente biodegradables

como los hidratos de carbono y las grasas. Por lo que, no es posible una

completa y rápida degradación mediante digestión anaerobia de los fangos

biológicos debido a su lenta velocidad de hidrólisis. En la digestión de los

fangos primarios, aunque tanto la velocidad de hidrólisis como la

biodegradabilidad de los mismos son mayores, también la etapa limitante es la

hidrólisis.

MATERIA ORGÁNICA

Compuestos intermedios Ácidos Grasos

Bacterias acetogénicas

CH4 + CO2

PROTEÍNAS LÍPIDOS

HIDRÓLISIS

Aminoácidos, azúcares

CARBOHIDRATOS

Ácidos grasos, alcoholes

Acetato H2 + CO2 Bacterias

Homoacetogénicas

ACETOGÉNESIS

METANOGÉNESIS

Bacterias MetanogénicasAcetoclásticas

Bacterias MetanogénicasHidrogenofílicas

ACIDOGÉNESIS

Bacterias Hidrolíticas

Bacterias Fermentativas

CH4 + CO2

Figura 2.1. Fases de la digestión anaerobia. (Modificado IDAE 2007)

Durante la etapa fermentativa o acidogénica los compuestos solubles

producidos en la etapa anterior son fermentados por la acción de las bacterias

fermentativas o acidogénicas, produciéndose ácidos grasos de cadena corta,


5

entre los que destacaremos el ácido acético, por su importante papel en la

digestión anaerobia, y en menor proporción otros compuestos como alcoholes

(etanol), hidrógeno y dióxido de carbono. Los principales ácidos grasos vienen

reflejados en la siguiente tabla:

Tabla 2.2. Principales ácidos grasos presentes durante la digestión

(Metcalf & Eddy 1996)

Ácidos orgánicos

Ácidos volátiles Ácidos no volátiles Ácido acético Ácido láctico

Ácido propiónico Ácido pirúvico Ácido n-butírico Ácido succínico Ácido isobutírico

Estos ácidos grasos de cadena corta o ácidos grasos volátiles (AGV) son un subgrupo de ácidos grasos con cadenas carbonatadas de menos de seis carbonos. Su volatilidad es debida a la corta cadena carbonatada que poseen. En la etapa acetogénica, los productos de la fermentación serán

transformados, por la acción de las bacterias acetogénicas, a acetato, dióxido

de carbono e hidrógeno principalmente. En esta fase intervendrán dos grupos

de bacterias encargadas de producir acetato:

Bacterias homoacetogénicas, caracterizadas por formar únicamente

acetato a partir de la mezcla de dióxido de carbono e hidrógeno.

4H2 + 2CO2 ↔ CH3COO- + H+ + 2H2O

Bacterias acetogénicas que transforman los compuestos intermedios de

la anterior etapa en acetato, dióxido de carbono e hidrógeno. Un

ejemplo de este tipo de reacciones, es la degradación del propionato

para obtener acetato y bicarbonato:

CH3CH2COO- + 3H2O ↔ CH3COO- + HCO3- + H2

Finalmente, en la etapa metanogénica, los productos finales de las etapas

anteriores, tales como el acetato, el hidrógeno y el dióxido de carbono, serán

transformados por la acción de las bacterias metanogénicas, en una mezcla

gaseosa compuesta principalmente por metano y dióxido de carbono, que

recibe el nombre de biogás. Podemos establecer dos grandes grupos de

bacterias metanogénicas:

Bacterias metanogénicas hidrogenofílicas, que utilizan el hidrógeno para

reducir el dióxido de carbono, y así producir metano.

4H2 + CO2 ↔ CH4 + 2H2O


6

Bacterias metanogénicas acetoclásticas, caracterizadas por hidrolizar el

acetato, oxidando el grupo carbonilo a dióxido de carbono, y reduciendo

el grupo metilo a metano. Según la reacción:

CH3COOH- + H2O ↔ CH4 + HCO3-

Aproximadamente se estima que el 70% del metano producido en el proceso

de digestión anaerobia, procede de las bacterias metanogénicas

acetoclásticas.

Debido a que las bacterias metanogénicas son frágiles y de crecimiento lento,

es importante mantener óptimas las condiciones ambientales, como son

temperatura, pH, así como reconocer y subsanar las condiciones que causan

inestabilidad en el proceso.

La siguiente tabla recoge a las principales bacterias involucradas en el proceso

de digestión anaerobia.

Tabla 2.3. Bacterias involucradas en la digestión anaerobia.

Etapa Género/Especie Población mesofílica en lodos residuales

Hidrolíticas, acidogénicas

Butyvibrio,Clostridium Ruminococcus, Acetovibrio Eubacterium, Peptococcus,

Lactabacillius, Streptococcus etc.

108 -109 por ml

Acetogénicas Homoacetogénicas

Acetobacterium, Acetogenium Eubacterium, Pelobacter

Clostridium, etc.

≈105 por ml

Reductores de protones estrictos

Metanobacillus omelionskii, Syntrophobacter wolinii, Syntrophomonas wolfei, Syntrophus buswelii,etc

Metanogénicos

Methanobacterium Methanobrevibacter Methanococcus Methanomicrobium Methanogenium

Methanospirillium hungatei, etc.

≈108 por ml

2.2.3. Factores que influyen al proceso de digestión anaerobia.

Las bacterias metanogénicas responsables de la conversión final de la materia

orgánica a un producto estable, son muy sensibles a las condiciones dentro del

digestor. Por lo que disminuirán su actividad si éstas no son mantenidas dentro

de unos niveles óptimos.

Existen una serie de factores que regulan el proceso de digestión anaerobia,

los podemos clasificar como factores debidos a las condiciones ambientales y

factores operacionales, a continuación revisaremos todos estos factores.


7

Factores ambientales

a) Temperatura:

La velocidad de reacción de los procesos biológicos depende de la velocidad

de crecimiento de los microorganismos involucrados que a su vez, dependen

de la temperatura. A medida que aumenta la temperatura, aumenta la

velocidad de crecimiento de los microorganismos y se acelera el proceso de

digestión dando lugar a mayores producciones de biogás.

La temperatura de operación del digestor, está considerada uno de los

principales parámetros de diseño, debido a la gran influencia de este factor en

la velocidad de digestión anaerobia. Variaciones bruscas de temperatura en el

digestor pueden provocar la desestabilización del proceso. Por ello, para

garantizar una temperatura homogénea en el digestor, es imprescindible un

sistema adecuado de agitación y un controlador de temperatura.

Existen tres rangos de temperatura en los que pueden trabajar los

microorganismos anaerobios: rango psicrófilo (por debajo de 25ºC), rango

mesófilo (entre 25 y 45ºC) y rango termófilo (entre 45 y 65ºC), siendo la

velocidad máxima específica de crecimiento (μmax) mayor conforme aumenta

el rango de temperaturas. Dentro de cada rango de temperatura, existe un

intervalo para el cual dicho parámetro se hace máximo, determinando así la

temperatura de trabajo óptima en cada uno de los rangos posibles de

operación. (figura 2.2)

Figura 2.2. Dependencia de la constante de crecimiento de la temperatura

Hasta el momento, el rango psicrófilo ha sido estudiado poco y, en general, se

plantea como poco viable debido al gran tamaño del reactor necesario. Sin

embargo, presenta menores problemas de estabilidad que en los otros rangos

de operación.


8

El régimen mesófilo de operación es el más utilizado a pesar de que en la

actualidad se está utilizando cada vez más el rango termófilo para conseguir

una mayor velocidad del proceso (lo que significa un aumento en la

eliminación de materia orgánica y en la producción de biogás) y una mejor

eliminación de organismos patógenos. Sin embargo, el régimen termófilo suele

ser más inestable a cualquier cambio de las condiciones de operación y

presenta además mayores problemas de inhibición del proceso por la mayor

toxicidad de determinados compuestos a elevadas temperaturas.

Tabla 2.4. Efecto de la temperatura en el tiempo de retención.

Temperatura ºC

Tiempo días

15 67,8 20 46,6 25 37,5 30 33,3 35 23,7 40 22,7 45 14,4 50 8,9 60 12,6

b) pH y alcalinidad:

Los diferentes grupos bacterianos involucrados en el proceso de digestión

anaerobia presentan unos niveles de actividad óptimos en torno a los

siguientes valores:

Fermentativos: 7,2 - 7,4

Acetogénicos: 7,0 - 7,2

Metanogénicos: 6,5 – 7,5

Para que el proceso se desarrolle satisfactoriamente, el pH no deberá bajar de

6 ni subir de 8. El valor del pH en el digestor no sólo determina la producción

de biogás sino que también la calidad del mismo. Un descenso del pH a

valores inferiores a 6 genera un biogás muy pobre en metano, por lo que el gas

tendrá menor poder calorífico.

El pH es una de las variables utilizadas en el diagnóstico de los sistemas

anaerobios (no se considera buena variable de control por ser muy lenta) ya

que muchos fenómenos tienen influencia sobre el mismo. Un ejemplo se esto

es la acidificación de un reactor anaerobio provocados por desequilibrios en la

producción y consumo de ácidos grasos volátiles. La acumulación de éstos

provoca un descenso en el pH que será más o menos acusado en función de la

alcalinidad del medio.


9

El pH afecta a los diferentes equilibrios químicos existentes en el medio,

pudiendo desplazarlos hacia la formación de un determinado componente que

tenga influencia en el proceso. Su papel es fundamental en el equilibrio amonio

- amoníaco, teniendo, por tanto, una gran importancia en el proceso global, por

ser el amoniaco libre un importante inhibidor de la fase metanogénica (Zeeman

et al., 1985). El pH influye también en el mecanismo de inhibición de

degradación de propionato por acético, siendo mayor la inhibición a pH bajos

(Fukuzaki et al., 1990), debido a que, el componente tóxico es la forma no

ionizada del ácido acético, que aumenta con la acidez del medio.

La alcalinidad es una medida de la capacidad tampón del medio. En el rango

de pH de 6 a 8, el principal equilibrio químico que controla la alcalinidad es el

dióxido de carbono-bicarbonato. Para evitar la acidificación del reactor se

recomienda que la relación entre la alcalinidad debida a los AGV y la debida al

bicarbonato no sobrepase un valor de 0,3 – 0,4 (Iza, 1995). La alcalinidad

debida al bicarbonato debe mantenerse en el intervalo entre 2500 - 5000 mg

CaCO3/l para poder asegurar la estabilidad del digestor (Fannin, 1987).

c) Ácidos grasos volátiles:

El contenido en ácidos grasos volátiles en el interior de un digestor, es uno de

los parámetros más útiles en el control del estado metabólico del proceso.

Teniendo en cuenta que estos ácidos juegan un importante papel como

intermediarios en la formación del metano, la acumulación de alguno de ellos

indica la modificación de las condiciones metabólicas en el digestor; por tanto

cualquier inhibición de las etapas finales de la metanogénesis provocará un

aumento de la concentración de ácidos volátiles y un descenso acusado del

pH.

El límite de concentración de ácidos volátiles para que el proceso se estable

varía según los datos encontrados en la bibliografía. Puede variar entre los 200

mg/l (referido a ácido acético equivalente) y los 2000 mg/l, concentración a la

que se provoca la inhibición de las bacterias metanogénicas pero no así las

acidogénicas (McCarty y McKinney, 1961; Kotze et al. 1969; Kugelman y Chin,

1971; Hawkes et al. 1976). No obstante este intervalo puede variar dependido

del tipo de residuo a digerir, pues se han llegado a encontrar concentraciones

superiores a los 5000 mg/l en digestores que funcionan cuando se alimenta

estiércol de gallina.

d) Potencial redox

La medida del potencial redox de un sistema anaerobio es un buen indicador

para el control del buen funcionamiento del proceso, por lo que es una medida

del grado de anaerobiosis del medio.


10

Conviene mantener el valor del potencial redox por debajo de -300mV o -330

mV para asegurar el ambiente fuertemente reductor que las bacterias

metanogénicas necesitan para desarrollar una óptima actividad. Por lo que es

aconsejable que el digestor no reciba sustancias oxidantes y evitar la entrada

de aire en la cámara de digestión.

e) Nutrientes

Una de las ventajas de los procesos de digestión anaerobia, frente a los

procesos aerobios, es su baja necesidad de nutrientes derivada de los bajos

índices de producción de biomasa que presentan los microorganismos

anaerobios. Los principales nutrientes necesarios para el crecimiento de los

microorganismos son el carbono, el nitrógeno y el fósforo, y una serie de

elementos minerales como S, K, Na, Ca, Mg y Fe que deben de estar

presentes a nivel de trazas. Diversos autores han estudiado la relación

necesaria entre los nutrientes mayoritarios considerando una relación C/N entre

15-30/1 y C/P de 75-113/1.

La siguiente tabla refleja el contenido en C/N para diversos sustratos.

Tabla 2.5. Relación C/N para diversos sustratos.

Material Relación C/N

Lodo de aguas residuales 13/1

Serrín 200 - 500/1

Paja de trigo 150 - 200/1 Algas 80/1

Abono de gallinas 8-36/1 Abono de caballo 33/1 Abono de vaca 18/1 Suero de leche 30 - 40/1

Verduras no leguminosas 11 - 19/1 Alfalfa 18/1

Bagazo 150/1 Hierba cortada 12/1

Sangre 3 - 4/1

f) Inhibidores

El proceso de digestión anaerobia es inhibido por la presencia de tóxicos en el

sistema. Estas sustancias pueden ser subproductos de la actividad metabólica

de los microorganismos anaerobios o pueden formar parte del influente.

Experimentalmente se ha comprobado que la magnitud del efecto tóxico de una

sustancia puede ser reducido significativamente, por aclimatación de la


11

población de microorganismos al tóxico. Por otra parte, muchas de estas

sustancias a bajas concentraciones pueden ser estimuladoras del proceso.

Hidrógeno

El hidrógeno es también un compuesto intermedio importante en el proceso

anaerobio. Su acumulación en el medio, provoca la inhibición de la

acetogénesis y a consecuencia la acumulación de ácidos grasos volátiles

con más de dos átomos de carbono.

Nitrógeno amoniacal

Durante el proceso anaerobio, el nitrógeno orgánico es hidrolizado dando

lugar a formas amoniacales. Aunque el nitrógeno amoniacal es un nutriente

importante para el crecimiento bacteriano, una concentración excesiva

puede limitar su crecimiento.

El nitrógeno amoniacal es la suma del ión amonio (NH4+) y del amoníaco

(NH3). Ambas especies se encuentran en equilibrio químico, y la

concentración relativa de cada una depende del pH, tal y como indica la

ecuación de equilibrio:

NH4+ ↔ NH3 + H+

De las dos especies, la que parece inhibir el proceso es el amoníaco libre

ya que se ha comprobado que el efecto inhibidor por amonio aumenta a pH

alcalinos. Además del pH, la cantidad de amoníaco libre depende de la

concentración del sustrato, de la relación C/N, de la capacidad

tamponadora del medio y de la temperatura de digestión. Obviamente,

aquellos residuos que contengan mayores proporciones de proteínas u

otros compuestos nitrogenados son los que presentan más problemas de

inhibición por amonio.

Oxígeno

Al tratarse de un proceso en el que intervienen microorganismos

estrictamente anaerobios, el oxígeno resulta inhibidor del proceso aunque

se encuentre a concentraciones bajas.

Sulfatos

La presencia de elevadas concentraciones de sulfato en el sustrato puede

provocar la inhibición del proceso anaerobio, especialmente de la

metanogénesis. En presencia de sulfatos, las bacterias metanogénicas

compiten con las sulfato-reductoras por los mismos sustratos (acetato e

hidrógeno), mostrando éstas últimas ventajas termodinámicas y cinéticas

sobre las primeras. El resultado de esta competición determinará la

proporción de sulfhídrico y metano en el biogás producido.


12

El sulfuro es también un inhibidor para muchos grupos bacterianos. En

general, los metanogénicos son más sensibles que los acidogénicos y

acetogénicos, comenzando a ser tóxica una concentración de 50 mg/l si los

microorganismos metanogénicos no están aclimatados a los sulfuros.

Parece que la forma tóxica es la no ionizada, por lo que la inhibición se

favorece a pH bajos y a bajas temperaturas.

Por tanto, la inhibición tiene dos etapas, la primera debida a la competición

por el sustrato entre los microorganismos metanogénicos y sulfato-

reductores y la segunda es una inhibición directa del crecimiento

metanogénico por la presencia de sulfuros solubles.

Cationes y metales pesados

Los cationes de metales alcalinos y alcalino-térreos estimulan la actividad

de las bacterias a bajas concentraciones. A partir de cierto nivel de

concentración, pueden ocasionar toxicidad provocando una disminución de

la velocidad de crecimiento.

La toxicidad de los cationes aumenta con el peso molecular, por lo que los

metales pesados provocan toxicidad a menor concentración. El orden de

toxicidad de los metales pesados es:

Ni> Cu>>Cr (IV) ≈ Cr (III) > Pb > Zn

Los niveles de inhibición varían en función de varios factores. Si la

introducción del catión en el reactor se produce de forma gradual (Tabla 1),

los microorganismos pueden aclimatarse y el efecto tóxico es menor.

Cuando se presentan combinaciones de estos cationes, el efecto producido

es más complejo. Algunos actúan antagónicamente, reduciendo la

toxicidad, y otros actúan sinérgicamente aumentándola.

Tabla 2.6. Concentración de inhibición y toxicidad de metales pesados.

Alimentación gradual Alimentación brusca

Metal Concentración de inhibición* (mg/l)

Límite de toxicidad (mg/l)

Límite de toxicidad (mg/l)

Cr (III) 130 260 <200 Cr (VI) 110 420 <180

Cu 40 70 <50 Ni 10 30 <30 Cd - >20 >10 Pb 340 >340 >250 Zn 400 600 <1700

* Inicio de la disminución de la producción de gas

Otros cationes como el calcio, el sodio, el potasio, etc., pueden resultar

inhibidores para el proceso anaerobio, a concentraciones altas (Kugelman

y Chin, 1971). La concentración de inhibición por cationes depende de la


13

presencia de posibles antagonistas tal como se muestra en la tabla 2.7. Por

ejemplo el potasio es antagonista del sodio, del magnesio y del calcio.

Tabla 2.7. Concentración límite de cationes en sistemas anaerobios (Kugelman y

chin, 1971)

Alimentación sencilla Alimentación continua

Catión Catión simple

(M)

En presencia de antagónicos (M)

Catión simple (M)

En presencia de antagónicos (M)

Sodio 0,2 0,3 – 0,35 0,3 70,35 Potasio 0,09 0,15 – 0,2 0,13 0,35 Calcio 0,07 0,125 – 0,15 0,15 0,2

Magnesio 0,05 0,125 0,065 0,14

Factores operacionales

a) Agitación:

La experiencia ha demostrado que una adecuada mezcla del contenido del

digestor, es esencial y persigue los siguientes objetivos:

Poner en contacto el sustrato fresco con la población bacteriana y eliminar

los metabolitos producidos por las bacterias metanogénicas.

Proporcionar una densidad uniforme de la población bacteriana.

Prevenir la formación de espumas y la sedimentación en el reactor.

Prevenir la formación de espacios muertos que reduzcan el volumen

efectivo del reactor.

Eliminar la estratificación térmica, manteniendo una temperatura uniforme

en todo el reactor.

La agitación puede ser de varios tipos, mecánica, hidráulica o neumática. Para

grandes tamaños de reactor parece que la agitación por gas es la que mayores

ventajas presenta, tanto por el efecto de agitación, como por su sencillez de

diseño y operación.

La velocidad de agitación es un parámetro que puede influir en el desarrollo del

proceso, deberá ser la adecuada para asegurar el equilibrio entre una buena

homogeneización y la correcta formación de agregados bacterianos (Fannin,

1987). Una velocidad de agitación alta, por encima de las 700 r.p.m., puede

disminuir ligeramente la producción de biogás, por ruptura de agregados

bacterianos.


14

b) Tiempo de retención hidráulico y velocidad de carga orgánica

Tanto el tiempo de retención hidráulica (TRH) como la velocidad de carga

orgánica, definida por el tipo de sustrato, son dos parámetros de diseño

fundamentales a la hora de definir el volumen del digestor.

En sistemas de mezcla compacta, el tiempo de retención hidráulico coincide

con el celular, por lo que tiempo de retención deberá ser suficientemente

amplio para asegurar el crecimiento bacteriano. Si aumentamos el TRH se

producirá un aumento en el grado de degradación experimentado por la

materia orgánica, así como la producción de metano, aunque este último valor

comenzará a disminuir una vez alcanzado el óptimo.

El tiempo de retención habitual para el rango mesófilo está entre 15 y 20 días,

aunque dicho valor varía en función del reactor empleado.

La velocidad de carga orgánica (VCO) es la cantidad de materia orgánica

introducida diariamente en el reactor por unidad de volumen, siendo

directamente dependiente de la concentración de sustrato y del tiempo de

retención fijado. En ausencia de inhibidores y con altas cargas orgánicas se

logran altas producciones volumétricas de biogás, aunque también aumenta el

riesgo por sobrecargas que conlleven la acidificación del reactor (exceso de

ácidos grasos volátiles).

2.2.4. Tipología de procesos.

El proceso de digestión anaerobia se lleva a cabo en reactores totalmente

cerrados, los fangos pueden introducirse en el reactor de forma continua o

intermitente, permaneciendo en su interior durante períodos de tiempo

variables. La extracción de fango del reactor también puede realizarse de forma

continua o intermitente. Los cuatro sistemas de digestión anaerobia que se han

desarrollado son:

a) Baja carga

Es el proceso más simple y antiguo de todos los procesos de digestión y está

caracterizado por:

Se alimenta de forma intermitente.

No incluye equipos de mezcla, la agitación y mezcla del fango la realizan

las burbujas de biogás al ascender a la superficie.

Generalmente, no cuenta con equipos de calentamiento.

Se produce una estratificación en el interior del digestor lo que supone que

el proceso de digestión anaerobia solo se produzca en una pequeña parte


15

del volumen de fango. Por lo que se necesitarán altos tiempos de retención

para conseguir una buena estabilización (30 – 60 días).

El sobrenadante y el fango digerido se extraen periódicamente.

La carga de sólidos oscila entre 0,4 y 1,6 Kg SV/m3/día.

Como las condiciones a las que se realiza el proceso no son controladas,

generalmente es inestable e ineficaz y suele emplearse únicamente como

tanque de almacenamiento (digestor secundario) o espesador en un proceso

de alta carga.

Figura 2.3. Reactor de baja carga.

b) Alta carga

Este sistema empezó a desarrollarse debido a que las experimentaciones

llevadas a cabo demostraran que el calentamiento, la mezcla, el espesamiento

del fango y la alimentación uniforme favorecían el proceso de digestión.

Las características de este sistema son las siguientes:

Se alimenta de forma uniforme.

Dispone de equipos de mezcla en el interior del digestor.

Se dispone de equipos de calentamiento del fango, previamente a la

entrada del mismo en el digestor.

Se realiza un espesamiento del fango anterior a la digestión.

El tiempo de retención del fango en el digestor es de un mínimo de 15 días.

El sobrenadante y el fango digerido se extraen de forma continua.

La carga de sólidos está comprendida entre 1,6 y 8 Kg SV/ m3/día

Como consecuencia de las mejoras llevadas a cabo con respecto al sistema de

Baja Carga, el volumen del digestor se reduce y el proceso tiene lugar con

mayor estabilidad.


16

Figura 2.4. Reactor de alta carga de etapa única.

Este tipo de digestores operan tanto en rango de temperatura mesófilo como

termófilo. Generalmente, un digestor de Alta Carga está unido en serie a un

segundo digestor, que presenta un diseño similar al primario, pero sin equipo

de calentamiento ni mezcla. Cuya principal misión es concentrar el fango

digerido y eliminar el líquido sobrenadante, con lo que disminuimos el volumen

de fango enviado a los siguientes procesos de tratamiento. La reducción de

sólidos y la formación de gas en este segundo digestor son prácticamente

despreciables. El esquema de funcionamiento es el siguiente:

Figura 2.5. Reactor de alta carga de doble etapa.


17

c) Contacto anaeróbico

Es un sistema equivalente al proceso de mezcla completa de fangos activados,

diferenciándose en que el fango es extraído del digestor, es sometido a un

proceso de decantación, y tras este proceso el líquido clarificado es devuelto a

la cabecera de la planta de tratamiento de aguas residuales, se recircula de

nuevo al digestor y se mezcla con el fango fresco que entra, según el siguiente

esquema de funcionamiento:

Figura 2.6. Contacto anaeróbico.

Este sistema permite la reducción del tiempo de retención con lo que se logra

también una disminución en el volumen del digestor.

El proceso de separación sólido – liquido presenta serios problemas debido a

las características de este tipo de fangos y el continuo desprendimiento de

burbujas de gas, debiéndose recurrir previamente a sistemas de

desgasificación.

Este sistema se utiliza, sobre todo, para estabilizar fangos con una alta

solubilidad, por lo que se emplea, principalmente, en instalaciones industriales

y rara vez, en aguas residuales urbanas.

d) Separación de fases

Se diferencia de los anteriores sistemas, en los que las diferentes fases de la

digestión se llevan a cabo en una única unidad, en que el proceso de digestión

es realizado en dos tanques. En el primero se dan las fases de hidrólisis,

acidogénesis y acetogénesis y en el segundo la fase de metanogénesis. El

esquema del proceso se recoge en la figura adjunta.


18

Figura 2.7. Sistema de separación de fases.

En el primer digestor, como no existen restricciones de pH se producirá una

mayor generación de ácidos grasos volátiles debidos a una degradación

enzimática del fango.

El principal problema de este sistema se presenta es la unidades de separación

sólido-líquido, por lo que se incluyen sistemas de diálisis, adición de productos

químicos, etc.

En la tabla siguiente se recogen los datos de diseño comparándolos con los de

un digestor de alta carga:

Tabla 2.8. Comparación de los parámetros de diseño de un sistema de separación de fases con uno de alta carga

Digestor Ácido Digestor Metanogénico Alta Carga

Temperatura (ºC) 37 37 37 Carga Kg SV / m3/día

24,7 – 42,8 2,88 3,20

Tiempo retención (días)

0,5 – 1,2 6,5 20

pH 5,7 – 5,9 7,1 7,1

Como se observa, el digestor ácido presenta un tiempo de retención muy corto

y un pH muy bajo, por lo que la producción de metano, será prácticamente

nula. Tanto el digestor metanogénico con el de alta carga tienen condiciones de

funcionamiento muy similares salvo por el menor tiempo de retención del

primero. Esto es debido a la separación de ambas fases, las cuales trabajan en

un estado casi ideal, lo que realmente no ocurre con el digestor de alta carga.

En la EDAR Novelda – Monforte del Cid el proceso de digestión anaerobia se

realiza según un sistema de alta carga en una sola etapa, lo que supone que le

contenido del interior del reactor es mezclado y calentado completamente.


19

2.3. Composición del biogás.

Como se comentó anteriormente el biogás producido por digestión anaerobia

de la materia orgánica es una mezcla de gases compuesta principalmente por

metano y dióxido de carbono, con pequeñas cantidades de hidrógeno,

nitrógeno, sulfuro de hidrógeno, oxígeno, monóxido de carbono y amoniaco. El

biogás es incoloro, inflamable y quema con una llama de color azul.

Buswell y Boyle desarrollaron una fórmula científica describiendo la

composición del biogás producido en función de la composición química del

sustrato inicial de entrada al proceso de digestión.

(

) (

)

(

)

En las siguientes tablas se muestran valores medios de composición del biogás

y de la producción del mismo, en función del substrato empleado.

Tabla 2.9. Composición del biogás en función del substrato utilizado (Coombs, 1990)

Compuesto Residuos agrícolas

Lodos de depuradora

Residuos industriales

Gas de vertedero

Metano 50 – 80% 50 – 80% 50 – 70% 45 – 65% Dióxido de carbono 30 – 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% Compuesto orgánicos Trazas Trazas Trazas 5 ppm *

* Esteres, terpenos...

Tabla 2.10. Producción de biogás en función del substrato utilizado (Coombs, 1990)

Tipo de residuo Contenido orgánico Sólidos volátiles (%)

Producción de biogás (m3/Tm)

Purines de cerdo Hidratos de carbono, lípidos y proteínas

3 - 5 10 - 20

Fangos residuales Hidratos de carbono, lípidos y proteínas

3 - 4 17 - 22

Fangos residuales concentrados

Hidratos de carbono, lípidos y proteínas

15 - 20 85 - 110

*FORSU separada en origen

Hidratos de carbono, lípidos y proteínas

20 - 30 150 - 240

* Fracción orgánica del residuo sólido urbano


20

Debido a su alto contenido en metano, el biogás tiene un poder calorífico algo

mayor que la mitad del poder calorífico del gas natural, por lo que es

susceptible de un aprovechamiento energético mediante su combustión en

motores, en turbinas o en calderas, bien sólo o mezclado con otro combustible.

Para una riqueza en metano del 70 % el poder calorífico es de 6.000 kcal/m3 lo

que equivaldría a unos 7 kWh

2.4. La estación de aguas residuales Novelda – Monforte del Cid.

2.4.1. Generalidades.

La estación de aguas residuales de Novelda - Monforte del Cid se encarga de

la depuración de las aguas residuales que provienen de ambos municipios, los

cuales se sitúan en el medio Vinalopó. Los objetivos principales de la planta

son por un lado la depuración de las aguas residuales para devolverlas al río

Vinalopó con la mayor calidad posible dentro de los límites que establece la

directiva 91/271/CEE, de 21 de mayo de 1991 sobre el tratamiento de las

aguas residuales urbanas y por otro lado el tratamiento de los fangos

producidos durante el proceso de depuración del agua residual, para obtener

finalmente un producto que cumpla con las condiciones exigidas por el RD

1310/1990, de 29 de octubre, por el que se regulan la utilización de lodos de

depuración en el sector agrario.

La explotación de la planta corresponde a la Entidad Pública de Saneamiento

de Aguas Residuales de la Comunidad Valenciana (EPSAR), la cual ha

designado como empresa explotadora a la UTE SAV – DAM.

La planta depuradora de aguas residuales de Novelda – Monforte del Cid está

diseñada para tratar un caudal de 9.000 m3/día sirviendo a una población

equivalente de 88.500 habitantes, permite la reutilización de las aguas

residuales para riego con un caudal 3,3 hm3 / año.

Las aguas residuales brutas procedentes de los municipios son conducidas a la

planta depuradora mediante dos colectores situados en dichas localidades

(figura 2.8.).


21

Figura 2.8. Plano de situación de los colectores

El colector de Novelda cruza el río Vinalopó y discurre paralelo a este con una

pendiente de 0,5 %. La longitud total del mismo es 3.602 m.

El colector de Monforte del Cid está proyectado en dos tramos, el primer tramo

con una longitud 1.211 m y pendiente de 0,1 % y el segundo tramo de longitud

559 m y pendiente de 0,5 %.

La incorporación del colector de Novelda se lleva a acabo a 1.530 m del

comienzo del colector de Monforte. Desde el punto de unión de ambos

colectores continúa el de Monforte del Cid hasta alcanzar la zona de

emplazamiento de la EDAR, justo aguas arriba de la confluencia entre el río

Vinalopó y la rambla de Orito.


22

Para la descripción de la EDAR distinguiremos entre dos líneas de tratamiento,

la línea de agua y la línea de fango. Como podemos ver a continuación en el

esquema de procesos de la EDAR Novelda – Monforte del Cid.

Reactores Biológicos

Reactores Biológicos

Decantadores DecantadoresFiltros

de arenaUltravioletas

TRATAMIENTO SECUNDARIO TRATAMIENTO TERCIARIOPRETRATAMIENTO

EFLUENTEINFLUENTE

LÍNEA DE AGUA

Espesador Flotador

Cámara de mixtos

GasómetroDepósitoTampón

Deshidratación

Digestorpiloto

Digestor anaerobio

FANGOS

LÍNEA DE AGUA

Tolva

LÍNEA DE FANGO

Figura 2.9. Esquema de procesos EDAR Novelda - Monforte del Cid

2.4.2. Línea de agua.

En la línea de agua, la planta cuenta con un pretratamiento convencional, como

tratamiento secundario un proceso biológico aerobio de fangos activados de

doble etapa y un tratamiento terciario.

2.4.2.1. Pretratamiento.

Con el pretratamiento eliminamos los sólidos de gran tamaño, para así poder

evitar posibles problemas en posteriores fases del tratamiento. Las operaciones

realizadas en la planta para el caso del pretratamiento son el desbaste,

desarenado y desengrasado.

Pozo de gruesos

El pozo de gruesos está equipado con una cuchara bivalva de 300 l de

capacidad y una reja de predesbaste de limpieza manual. También dispone de

una cubierta retráctil y de un aliviadero.


23

Desbaste

El desbaste consiste en separar del agua residual los sólidos de gran tamaño

(trapos, maderas, plásticos…) que producirían graves alteraciones en el normal

funcionamiento de la planta. De esta forma, se pretende proteger a la EDAR de

objetos que puedan obstruir el paso del agua en una de las unidades de la

instalación y además separar y evacuar las materias de gran volumen que

pueden disminuir la eficacia de los tratamientos que se realizan posteriormente.

Las rejas pueden ser de limpieza mecánica o manual según su mecanismo de

limpieza. Para el caso de esta depuradora, las rejas de desbaste son

automáticas.

Las rejas de limpieza mecánica, eliminan los problemas de atascos y reducen

el tiempo necesario para su mantenimiento. El mecanismo más utilizado es el

de peine móvil, que barre la reja y extrae los sólidos que han quedado

retenidos en ella.

La planta tiene instalados tres canales de desbaste, uno de los cuáles es un

bypass. Los dos canales que están en servicio disponen de una reja de

limpieza automática de 50 mm de luz y un tamiz autolimpiante de 3 mm de luz.

Ambos son gestionados por sensores ultrasónicos en los canales. En cambio,

el bypass dispone de dos rejas manuales de distinta luz, una de 50 mm y otra

de 10 mm.

Estos canales poseen unas compuertas motorizadas que abren o cierran el

canal para así poder utilizar un canal o dos en función del caudal de entrada a

la planta.

Los residuos que quedan en las rejas y tamices se transportan mediante

tornillos transportadores-compactadores hacia dos contenedores, que

posteriormente se llevan a un vertedero.

Desarenado y desengrasado

El agua procedente de los canales de desbaste llega a dos desarenadores -

desengrasadores, que también pueden ser aislados mediante compuertas

motorizadas de la misma forma que sucede con los canales anteriores.

Con este tratamiento se persigue la eliminación de las materias pesadas con

granulometría superior a 200 micras. De esta forma se pretende evitar la

producción de sedimentos en los canales y conducciones, protegiendo de esta

manera las bombas y otra serie de aparatos de la abrasión, así como evitar las

sobrecargas en las fases de tratamiento siguientes. En esta fase del

tratamiento se eliminan tanto arenas como gravas y elementos de origen

orgánico no putrescible.


24

La agitación y pre-aireación de los desarenadores se realiza por difusores de

burbuja gruesa, que son alimentados por unas soplantes de émbolo rotativo

trilobular.

La extracción de las arenas que quedan en el fondo del desarenador es

realizada por dos bombas que se encuentran sobre el puente del desarenador,

y las grasas se recogen a su vez con unas rasquetas, de las que también

dispone dicho puente, y van a parar a la zona de recogida de grasas.

Las arenas que se extraen se envían a un concentrador-lavador de arenas de

tipo tornillo sin fin y las grasas se concentran en el concentrador de grasas.

Ambos recogidos son almacenados en contenedores diferentes para su

posterior tratamiento.

Para la regulación de caudales a tratamiento biológico se cuenta con una

compuerta motorizada que está controlada mediante un caudalímetro

electromagnético en tubería. El alivio del agua se realiza a través de vertedero

recto, medido a través de un medidor de nivel por ultrasonidos.

2.4.2.2. Tratamiento secundario o biológico.

En esta planta el tratamiento biológico consta de dos líneas de tratamiento

biológico de doble etapa: la etapa A y la etapa B. Este sistema ofrece ventajas

para el tratamiento de aguas residuales con fuertes variaciones de la carga

contaminante, pH o de componentes tóxicos, y mejora la operatividad de la

planta. El influente recibido en nuestra planta tiene una elevada carga, debido a

que la zona tiene una alta densidad de industria dedicada al mármol.

Primera etapa (A):

Esta etapa posee dos reactores rectangulares de alta carga, con sus difusores

de burbuja fina que suministran aire a través de las soplantes de émbolos

rotativos. Dos alimentan a cada uno de los reactores y la tercera es de reserva.

A continuación el agua pasa a los dos decantadores circulares (decantadores

de la etapa A). Cada uno de ellos dispone de vertederos triangulares

perimetrales, deflectores para los vertederos y puente radial de tracción

perimetral. Los fangos biológicos decantados en esta fase son tamizados en un

tamiz rotativo y posteriormente se recirculan a los reactores biológicos de la

etapa A por medio de bombas centrífugas sumergibles y dotadas de variador

de frecuencia.

Los residuos atrapados por el tamiz son transportados mediante un tornillo

trasportador - compactador hasta un contenedor. Por otro lado, otras bombas

centrífugas sumergibles extraen los fangos biológicos en exceso.


25

Segunda etapa (B):

La etapa B incluye dos reactores rectangulares de media carga, divididos en

dos zonas una anóxica y otra óxica de esta forma se favorece el proceso de

desnitrificación, consistente en la eliminación del amoníaco producido en la

reacción que ocurre en los sistemas aerobios de eliminación de materia

orgánica. Las reacciones que tienen lugar en estos procesos son las

siguientes:

El proceso de Nitrificación tiene varias etapas:

1. En la primera etapa el ión amonio (NH4+) es oxidado a nitrito en

presencia de bacterias Amonooxidantes y Nitrosomas.

NH4+ + 1,5 O2 ↔ NO2

- + H2O + 2H+

2. En la segunda etapa el ión nitrito es oxidado a nitrato en presencia de

bacterias Nitritooxidantes y Nitrobacter.

NO2- + 0,5 O2 ↔ NO3

-

3. También puede darse la suma de las dos etapas, combinándose ambas

bacterias.

NH4+ + 2 O2 ↔ 2 NO3

- + H2O + 2H+

En el proceso de Desnitrificación el ión nitrato es reducido a nitrógeno gas.

NO3- + 5H+ ↔ 0,5 N2 + 2H2O + OH-

En cada zona anóxica podemos encontrar un agitador sumergible y en cada

zona óxica disponemos de dos parrillas de difusores de burbuja fina. De la

misma manera que en la etapa anterior, el aire es suministrado por soplantes

de émbolos rotativos. Mediante una bomba sumergible de hélice se realiza una

recirculación de los fangos.

Posteriormente, el agua de salida de ambos reactores es conducida hasta dos

decantadores secundarios circulares, dotados con vertederos triangulares

perimetrales, deflector para los vertederos y de un puente radial de tracción

perimetral. La extracción de flotantes se realiza con bombas.

Al igual que en la etapa A, en la etapa B, los fangos biológicos decantados se

recirculan a los reactores biológicos y los fangos biológicos en exceso se

extraen.


26

2.4.2.3. Tratamiento terciario.

La planta posee una línea de tratamiento terciario que permite la reutilización

de las aguas, que provienen de la línea de aguas de la planta, como agua de

riego.

Básicamente consiste en un sistema de filtración en arena con limpieza de ésta

en continuo. Seguidamente, el agua pasa a un sistema de desinfección por

medio de radiación en ultravioleta (UV).

A continuación explicaremos el sistema entero:

Depósito de laminación y bombeo a tratamiento terciario

El agua procedente de los decantadores secundarios es conducida hasta el

depósito de laminación de doble cámara. Desde esa cámara el agua es

impulsada hacia los filtros de arena.

Filtros de arena

En nuestra planta existen seis filtros de arena Omega - filter, autolimpiantes. El

agua atraviesa el lecho de arena de abajo a arriba, dejando atrás las impurezas

que posee. La arena debe ser lavada para eliminar los sólidos que han sido

depositados en ella. Para ello disponemos de una bomba de aire tipo “air lift”

situada en la parte final de cada filtro. Ésta eleva en continuo la arena sucia

desde abajo y hacia arriba del filtro, donde se encuentra un lavadero especial

que efectúa la separación de la arena y la suciedad mediante un lavado a

contracorriente.

Una vez filtrada, el agua utilizada para el lavado de la arena se descarga o se

recircula al pretratamiento, mientras que la arena limpia cae al lecho de que

provenía.

Desinfección UV

Una vez filtrada el agua deberemos someterla a un proceso de desinfección, en

este caso se trata de un sistema de desinfección por rayos ultravioleta en

tubería. Este equipo posee limpieza automática de las lámparas y una limpieza

química. Su función es la desinfección del agua residual siguiendo una

regulación de la dosis aplicada en función del caudal de agua que atraviesa el

equipo.

Almacenamiento y salida del agua tratada

Una vez tratada, el agua es almacenada en una balsa cuyo llenado se realiza

a través de una tubería de fundición dúctil. La balsa posee un aliviadero

superior a la cota de máximo llenado. En caso de sobrepasarse el nivel


27

máximo, el agua sería conducida a través de una tubería de fundición a una

arqueta de hormigón armado anexa al depósito de laminación.

Por otra parte, para el vaciado de la balsa en régimen normal de

funcionamiento existe un desagüe de fondo con dos funciones. Una de ellas es

responder a la demanda máxima fijada de agua tratada para el turno de

máximas necesidades y a las tareas de limpieza de los lodos depositados en el

fondo. Este desagüe vierte directamente al río.

2.4.3. Línea de fangos

A continuación se va a describir la línea de fangos. Los fangos que proceden

del tratamiento primario son los denominados fangos primarios, los

procedentes del tratamiento secundario son los fangos secundarios o

biológicos. Y la mezcla de ambos previamente a ser tratados son los fangos

mixtos.

Las operaciones y procesos de la línea de fangos tienen como objetivos

principales:

Reducir el volumen, para así minorar el tamaño de las instalaciones y

unidades de proceso.

Estabilizar los fangos, con lo que evitaremos problemas de fermentación

y putrefacción.

Conseguir una textura adecuada, para que los fangos sean manejables

y transportables.

Espesamiento

Con el espesamiento lo que buscamos es conseguir un incremento de la

concentración de los fangos, esto se logra mediante la eliminación del agua

contenida en estos, mediante esta reducción de volumen de los mismos

mejoraremos el rendimiento de los procesos posteriores. Este espesamiento

puede ser por gravedad o por flotación. En nuestra planta de tratamiento

encontramos ambos, cada uno para un tipo de fango. Para los fangos primarios

se emplea el espesador por gravedad y para fangos secundarios el espesador

por flotación.

Los fangos de la primera etapa son tamizados previamente a su llegada al

espesador por gravedad, los residuos de este tratamiento será transportados a

un contenedor mediante un tornillo transportador – compactador.

El espesador por gravedad (Figura 2.10.) tiene forma circular y está equipado

con un puente de arrastre para espesamiento con pasarela en hormigón y

cubierta de poliéster.


28

Figura 2.10. Sección transversal de un espesador de gravedad circular (Metcalf & Eddy, 1996).

El espesador por flotación (Figura 2.11.), es del tipo de flotación por aire

disuelto. El aire se libera en forma de micro-burbujas y al ascender estas

atrapan los sólidos elevándolos hacia la superficie, donde se produce el

espesamiento y el barrido de los fangos.

Figura 2.11. Sección transversal de un espesador de flotación circular (Metcalf & Eddy, 1996).

Una vez espesados ambos fangos, son mezclados en un depósito en el que se

homogenizan que recibe el nombre de cámara de mixtos. Los fangos mixtos

serán bombeados a la etapa de digestión mediante bombas de tornillo

helicoidal.

Digestión anaerobia

El principal objetivo de la estabilización de fangos mediante digestión anaerobia

es reducir el contenido de materia volátil con la finalidad de obtener un residuo


29

menos putrescible y más estable. Por lo que mediante este proceso

eliminaremos una gran parte de la materia orgánica.

El proceso empleado en esta depuradora es la digestión anaerobia mesófila

(35ºC), en la que la materia orgánica es convertida, en ausencia de oxígeno, en

metano, dióxido de carbono y otros gases, entre los que encontramos ácido

sulfhídrico. Este último puede dañar conducciones y accesorios por corrosión,

por lo que es necesario añadir cloruro férrico, este añade mediante bombas

dosificadoras.

Los fangos mixtos espesados son transportados al digestor, con un tiempo de

retención superior a 21 días. Éste dispone de un sistema de agitación

hidráulica, Rotamix, que consta de una bomba de impulsión y tres boquillas

dobles instaladas en el interior del digestor. De esta forma se garantiza el

movimiento de los fangos tanto tangencialmente en las paredes como

helicoidalmente en el centro del mismo. Así, se obtiene un buen mezclado de

los fangos en el interior del digestor, evitando de esta forma la posible

formación de costras.

Para calentar los fangos, se emplea un sistema de calefacción que consta de

una caldera y quemador de combustión gasóleo – biogás, un descalcificador,

un intercambiador de calor en forma de espiral y una serie de bombas

encargadas de la circulación del agua. Otra forma de calentar el fango es

mediante el sistema de cogeneración, es decir, se quema el biogás para

generar electricidad y con los gases de escape del motor, se calienta agua y

mediante un intercambiador de calor se calientan los fangos del digestor.

Deshidratación

Después de someter los fangos a un proceso de digestión anaerobia, los

fangos digeridos son dirigidos a un depósito tampón, de donde posteriormente

son enviados a deshidratación mediante bombas de tornillo helicoidal.

La deshidratación es una operación física unitaria que consiste en la reducción

del contenido de humedad del fango, para transformarlo en un sólido que sea

fácilmente transportable y manejable. En la EDAR Novelda – Monforte del Cid

para llevar a cabo dicho proceso se emplea como sistema de deshidratación

mecánico las centrífugas (figura). Se emplean dos centrífugas, una de ellas en

reserva, para obtener mayores rendimientos se adiciona una disolución de

polielectrolito, la cual se prepara en un equipo automático compuesto de tres

cámaras (dilución, maduración y almacenamiento).


30

Figura 2.12. Esquema de centrífuga para deshidratación de fangos (Hernández Lehmann, A.,1997).

Una vez deshidratados, los fangos son descargados directamente sobre una

bomba de tornillo helicoidal que los impulsa hasta una tolva donde son

almacenados. La disposición final del fango es su utilización como compost tras

su adecuación para ello en una planta dedicada al compostaje.

Cogeneración:

El biogás generado durante el proceso de digestión anaerobia es almacenado

en el interior de un gasómetro de membrana. Este biogás se aprovecha de

forma energética en un motor Guascor. También es posible la utilización de

este biogás como fuente energética para la caldera utilizada en la calefacción

de fangos. El biogás en exceso es quemado en una antorcha de llama.


31

3. OBJETO Y ALCANCE DEL TRABAJO.

Este proyecto surge del interés de la empresa DAM S.L., en concreto en las

instalaciones de la EDAR Novelda – Monforte del Cid, de experimentar con su

propio sistema de digestión de fangos para mejorar el rendimiento global del

sistema.

El equilibrio de un sistema de estas características es delicado y se

desequilibra con facilidad debido a que estamos ante un proceso biológico

bastante complejo, por lo que la experimentación directa sobre el sistema

conlleva un riesgo no asumible. Esto justifica la necesidad de que se haya

creado un sistema análogo al anterior y a pequeña escala, o sea una planta

piloto, en el que llevar a cabo esta experimentación sin arriesgar el correcto

funcionamiento del proceso de estabilización de fangos de la planta.

Este proyecto se dividió en dos fases distintas por lo que persigue dos objetivos

bien diferenciados.

El primer objetivo planteado por el presente estudio es la puesta en marcha del

digestor anaerobio piloto. Para ello se busca que digestor piloto trabaje con los

mismos parámetros que el digestor anaerobio de planta, logrando que el

proceso de digestión se estabilice.

Conseguida la estabilidad del proceso, el siguiente objetivo del trabajo es

estudiar los efectos del pH extremo sobre el proceso de digestión anaerobia

urbana. Para ello se añadirá como aditivo hidróxido de sodio al proceso,

variando las dosis de menor a mayor cantidad. Esto es así porque se pretende

que la biomasa contenida en el digestor, se aclimate a las nuevas condiciones

de incremento de pH. Entre los parámetros analizados se investigarán la

producción y calidad del biogás obtenido.

Se realizará mediante el análisis de la información y de los resultados obtenido

en las dos fases de la investigación.

Para la consecución de los objetivos especificados anteriormente, el alumno ha

llevado a cabo las actividades que se describirán en los sucesivos apartados,

durante el período que va desde el 10 de junio al 14 de agosto, en horario de

mañana, de 8:30 a 13:30, abarcando un total de 240 horas.


32

4. DESCRIPCIÓN DEL DIGESTOR PILOTO.

4.1. Descripción del sistema.

El sistema de funcionamiento del digestor anaerobio piloto puede dividirse en

tres partes que son:

Línea de fangos.

Línea de gases.

Sistema de control.

A continuación realizaremos una descripción detallada del sistema. Hay que

tener en cuenta que en su mayor parte, los equipos dispuestos en el digestor

piloto han sido reutilizados de equipos disponibles en la planta, con lo que se

ha logrado un ahorro en costes.

4.1.1. Línea de fangos.

La línea de fangos está compuesta por el sistema de alimentación, el digestor,

los diferentes sensores y las conducciones que conectan los diferentes

equipos. A continuación se detalla una descripción de cada equipo que lo

compone.

a) Sistema de alimentación

La alimentación al digestor piloto puede hacerse por dos sistemas, por un lado

alimentación directa desde el digestor de planta y por otro lado alimentación

por un depósito anexo al digestor piloto.

Alimentación desde el digestor de planta.

Inicialmente durante la puesta en marcha del digestor piloto, se realizó la

inoculación de fangos al mismo, procedentes del interior del digestor de la

planta. Esto ha permitido la inoculación de fangos con una edad adecuada, sin

ser necesaria una maduración previa de estos, lo que ha supuesto un ahorro

en tiempo y esfuerzos, pudiendo disponer de los fangos adecuados para el

digestor piloto.

Esta vía de alimentación cuenta con una bomba encargada de impulsar los

fangos desde el digestor de planta hasta el digestor piloto y una conducción

flexible. Dicha instalación es desmontable ya que una vez arrancado el digestor

piloto no es necesario su alimentación con fangos del digestor de planta.

Alimentación desde depósito anexo.

El depósito de alimentación se sitúa antes de la bomba de alimentación y

permite la inyección de los fangos y los aditivos necesarios al digestor piloto.

Fabricado en un material plástico, tiene una capacidad de 120 litros y está

aforado cada 10 litros. Para el llenado del depósito se emplean una serie de

bidones los cuales son llenados con fango en el punto de toma del mismo, y


33

mediante transvase del volumen contenido en ellos se procede con su llenado.

Para evitar salpicaduras de fango habrá que actuar con la mayor cautela

posible.

Una vez inyectado el volumen adecuado de fango se procederá con el vaciado

y limpieza del depósito. Con la apertura de la llave de paso y por acción de la

gravedad se evacuará a la red el volumen de fango sobrante. El depósito se

encuentra elevado aproximadamente unos 20 cm sobre el suelo, lo que facilita

su vaciado.

Bomba

Para el bombeo de los fangos se emplea una bomba de cavidad progresiva,

compuesta por un rotor de rosca simple que resiste la abrasión y de un estator

con dos entradas de paso largo y gran profundidad. Presenta una geometría

del rotor / estator tipo L, sellando el eje de forma mecánica. El motor de la

bomba es eléctrico, a 220-240 V/50 Hz.

La bomba está conectada a un sensor de nivel de fango en el depósito de

alimentación, evitando de este modo el funcionamiento de la misma en vacío,

lo que ocasionaría graves daños a la misma.

Su puesta en marcha y paro se realiza desde el cuadro eléctrico del sistema de

control, mediante el accionamiento de un botón externo en el armario de

control. Siempre que se conecte esta, se conectará la agitación si es que ésta

no lo estaba.

b) Digestor

El digestor está formado por tres elementos principales, el tanque o depósito, el

sistema de calefacción y el agitador.

Depósito.

El depósito está fabricado en plástico reforzado con fibra de vidrio, con unas

dimensiones aproximadamente de 2 m de altura y 1,6 m de diámetro, lo que

equivale a una capacidad de 4 m3. El depósito cuenta con una tapa

desmontable, que permite la instalación de los equipos en el interior del

digestor, como es el caso del sistema de calefacción y del agitador. Esta tapa

también dispone de una serie de orificios necesarios para la instalación de los

equipos y las conducciones del digestor, como son:

Instalación del dispositivo de agitación.

Instalación del sistema de calefacción con su correspondiente cableado.

Entrada de afluente.

Salida de gas.

Válvula de alivio de presión.


34

Además de lo descrito anteriormente el depósito presenta una serie de orificio y

son los siguientes:

Orificio lateral superior, mediante el cual se realiza la alimentación desde el

digestor de planta.

Aberturas laterales empleadas para la instalación de instrumental. Como es

el caso del manómetro situado en el orificio superior y el sensor de

temperatura localizado en la base.

Abertura inferior por la que se realiza la purga de fangos del digestor.

Orificio mediante el cual se puede realizar la limpieza del depósito una vez

vaciado el mismo. A través de esta abertura también se puede acceder al

interior del depósito, para la instalación de los equipos.

Para mantener la temperatura del interior del digestor dentro del rango de

funcionamiento escogido, el depósito se encuentra aislado térmicamente, de

este modo minimizamos en cierta medida la transferencia de calor con el

exterior. El aislante se ha ejecutado en fibra de vidrio y se ha reforzado con una

malla de alambre de torsión doble de 1,5 mm de grosor, la cual prolongará la

vida útil del aislante, previniendo su desprendimiento por acción del viento o la

lluvia.

Sistema de calefacción.

El sistema para calentar los fangos está compuesto por un tubo metálico que

llega hasta el fondo del depósito, y en cuyo interior se aloja una resistencia

monofásica de 3.000 W. Esta se encuentra sumergida en un volumen de aceite

térmico de unos 16 litros aproximadamente, que será calentado por la acción

de la resistencia, lo que suministrará calor al sistema de calefacción. Y por

transferencia de este se realizará el calentamiento del fango contenido en el

digestor.

La resistencia está conectada al sistema de control, el cual regula su

funcionamiento a través de la sonda de temperatura instalada en el digestor.

Además se ha incluido en el sistema de calefacción otra sonda de temperatura

encargada de controlar la temperatura alcanzada en el interior de este.

El sistema de calefacción del digestor mantiene una temperatura constante en

el interior del mismo, con una temperatura de marcha de la calefacción y otra

de paro, ambas configurables con tiempos de respuesta también configurables.

Esta temperatura se consigue conectándose la calefacción solo en los periodos

de arranque de la agitación, con lo que con la agitación en periodo de paro no

permite la conexión del sistema de calefacción, aunque esté por debajo de la

temperatura umbral.


35

Este sistema aporta una serie de ventajas con respecto al anterior sistema.

Entre ellas, aumenta la vida útil del mismo evitando la rotura por enredos de

pelos en la superficie de la resistencia, estos proceden del fango del digestor.

También logramos que el sistema sea más accesible a la hora de subsanar

desperfectos y para las operaciones de mantenimiento del mismo. De este

modo evitamos el vaciado del digestor siempre que ejecutemos alguna de las

operaciones citadas anteriormente.

Figura 4.1. Instalación y detalle de la resistencia.

Agitador.

Para lograr una homogenización de los fangos contenidos en el digestor,

recurrimos al empleo de la agitación por medios mecánicos. Para ello

disponemos de un agitador de eje vertical, que posee una hélice de 800 mm de

diámetro de acero inoxidable. El agitador cuenta con un motor eléctrico

conectado a un variador de frecuencia, lo que permite regular el régimen de

agitación de los fangos del digestor.

Purga.

La purga del digestor se realiza por una abertura ubicada en la base del mismo,

a través de esta y por medio de varias conducciones los fangos serán

evacuados. Existen dos posibles vías de evacuación:

La primera vía consiste en el vertido de los fangos al interior de un

contenedor aforado, lo que nos permite llevar un control sobre el volumen

de fango purgado. El contenedor aforado podrá vaciar el contenido


36

recogido de fangos a la red, mediante el accionamiento de una llave de

paso.

La segunda vía se basa en el vertido directo a la red del contenido del

digestor, para ello abriremos una llave de paso.

Ambas vías de evacuación permiten la toma de muestras de fango digerido,

procedente del digestor piloto.

c) Sensores.

El digestor piloto posee una serie de sensores que permiten controlar el

funcionamiento del proceso de digestión anaerobia, para que este se desarrolle

sin incidencias y de la forma más óptima posible. Para ello se ha dotado al

sistema con dos sensores de temperatura, uno que controla la temperatura en

el interior del digestor y otro encargado del control de la temperatura alcanzada

por el sistema de calefacción.

Para evitar que la bomba de alimentación funcione en vacío el depósito de

alimentación cuenta con un sensor de nivel, encargado de la desconexión de la

bomba cuando el fango pierde un determinado nivel. Todos los sensores están

conectados al sistema de control.

d) Conducciones.

Tanto las conducciones de salida como las de entrada al depósito, están

fabricadas en PVC en distintos tamaños y espesores. Para controlar los

caudales de entrada y salida, tanto para fangos como para gases, se

dispondrán de una serie de llaves de paso distribuidas en todo el sistema. Se

deberá garantizar la estanqueidad del mismo y de los accesorios y juntas

empleados.

Al igual que las conducciones rígidas, las conducciones flexibles empleadas en

la alimentación y vaciado del digestor deberán garantizar la estanqueidad del

sistema.

4.1.2. Línea de gases.

La línea de gases se compone de un caudalímetro, de una válvula de alivio, de

dos manómetros que controlan la presión alcanzada en el interior del digestor

piloto y de una conducción para la salida del biogás. También cabe comentar

que en la instalación inicial el sistema contaba con un gasómetro. A

continuación se realizará una breve descripción de cada equipo que forma

parte de esta línea.


37

a) Caudalímetro

Para cuantificar el volumen de biogás producido durante el proceso de

digestión anaerobia se dispone de un caudalímetro (del tipo contador de gas

natural) el cual está conectado al sistema por una serie de conducciones

flexibles. En el sistema actual, el biogás producido es liberado al exterior una

vez haya sido contabilizado por el caudalímetro.

Para protegerlo de las inclemencias climáticas, el caudalímetro se ha instalado

en el interior de un armario metálico.

b) Conducción de salida

Existe otra abertura para la salida del biogás y se sitúa en la tapa superior del

depósito, a continuación se ha instalado una conducción rígida de PVC, con

una llave de paso. En el sistema diseñado inicialmente la salida de gas del

depósito se conectaba con el caudalímetro y este con un gasómetro, a través

de una conducción flexible.

Actualmente ésta conducción de salida se emplea como punto para la toma de

muestras del biogás, el procedimiento de toma de biogás se describe en el

apartado 5.5, del presente trabajo.

c) Válvula de alivio de presión

La línea de gas cuenta con un dispositivo encargado de evitar el deterioro del

sistema por sobrepresiones, este es la válvula de alivio, ésta en caso de

sobrepresión en el interior del digestor, libera cierta cantidad de gas hasta que

la presión en el sistema sea inferior a la presión de tarado de la válvula. La

válvula está ubicada en la tapa del depósito (figura 4.2).

Figura 4.2. Válvula de alivio de presión.


38

La válvula posee un sistema con control de muelle y escape automático, con

capacidad para absorber y liberar al exterior el flujo de gas, que permite una

reducción de la sobrepresión detectada en el interior del digestor. Para que el

escape de gas se produzca de la manera más óptima, la válvula se ubicará en

la parte superior del digestor, y se adecuará para evitar la entrada de agua del

exterior en la línea de gas.

d) Manómetros

La instalación cuenta con dos manómetros encargados de medir la presión que

alcanza el biogás en el interior del digestor. La existencia de los dos

manómetros permite verificar las medidas que tomen cada uno de ellos. El

primer manómetro cuenta con dos escalas de medida: milibares (mbar) y mm

de agua (mmH2O). El segundo manómetro es de columna de agua, y se

encuentra aforado (mmH2O) mediante una escala metálica dispuesta en

vertical.

4.1.3. Sistema de control.

El digestor piloto está integrado en el SCADA de planta (Figura), con lo que

mediante este podemos controlar los parámetros de funcionamiento del mismo.

Junto al digestor piloto se ha dispuesto un cuadro eléctrico, que aloja todo el

aparataje eléctrico, así como los dispositivos necesarios para el funcionamiento

remoto del digestor piloto.

Figura 4.3. Captura del SCADA del digestor piloto.


39

El sistema de control está controlado por un autómata programable compacto o

PLC (Figura). Este se encarga del control de la velocidad del agitador,

mediante un variador de frecuencia conectado al mismo. Además de lo citado

anteriormente también controla la temperatura de las sondas de temperatura,

mediante un conversor a señal analógica.

Figura 4.4. PLC del digestor piloto.

La calefacción será controlada mediante un relé de estado sólido para el

encendido y apagado de la resistencia.

Como observamos en la figura 4.3, el SCADA del digestor piloto, permite el

control de la puesta en marcha y paro de la agitación, y del sistema de

calefacción. Introduciendo el valor de los parámetros en modo manual,

podemos automatizar el proceso activando el modo automático.

También cuenta con una serie de señales que indican: depósito de

alimentación lleno o vacío, temperatura alta y baja, agitador en marcha o paro y

bomba de alimentación en marcha o paro.

En futuras actualizaciones del programa se incluirán acceso a los históricos de

temperatura y a los de marcha y paro de los equipos.

El SCADA del digestor piloto está programado en JAVA y comunica con el PLC

por Modbus.


40

4.2. Esquema global del sistema.

Todo lo expuesto anteriormente puede verse recogido en el siguiente esquema:

Figura 4.5. Esquema global del sistema. (Elaboración propia)

Como podemos ver en el esquema de funcionamiento global del sistema, el

proceso puede resumirse en:

1. Llenado del digestor piloto: el cual se ha realizado con fangos

procedentes del interior del digestor anaerobio de la planta, mediante

bombeo a través de una conducción flexible.

2. Alimentación del digestor piloto: se realiza diariamente con fangos

mixtos procedentes de la cámara de mixtos de la planta, mediante una

bomba el fango es impulsado al interior del digestor.

3. Producción de biogás: el biogás producido durante el proceso es

contabilizado mediante un caudalímetro, posteriormente se libera el gas

producido al exterior. La presión alcanzada en el interior del digestor es

controlada mediante manómetros y en caso de sobrepresión en su

interior, entra en juego la válvula de alivio, que libera el exceso de gas

evitando deterioros del sistema.

4. Purga y vaciado: se han ejecutado unas conducciones que permiten, por

un lado, evacuar directamente a la red de saneamiento de la planta y por


41

otro, verter a un contenedor, lo que permite la toma de muestras de los

fangos digeridos en el digestor piloto.

El aspecto real del digestor piloto se muestra a continuación en la siguiente

figura:

Figura 4.6. Digestor piloto, visto desde el terciario.

5. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.

Para la realización del presente trabajo se han llevado a cabo una serie de

actividades, las cuales han sido agrupadas en dos fases:

1) Fase: puesta en marcha del digestor y estabilización del proceso de

digestión anaerobia. Las actividades realizadas en esta fase han sido:

Llenado del digestor con fangos procedentes del digestor de planta.

Cálculo del caudal de alimentación.

Inicio de la alimentación del digestor piloto.

Toma de muestras de fango y realización de analíticas.

Control de la producción de biogás por el digestor piloto.


42

Alcanzada la estabilidad del proceso se procedió con el inicio de la segunda

fase:

2) Fase: inicio del incremento del pH del proceso de digestión anaerobia por

adición de NaOH y estudio de los efectos. Esta puede dividirse en:

Cálculo de la dosificación de hidróxido de sodio.

Inicio de la dosificación de sosa al proceso.

Toma de muestras de fango y realización de analíticas.

Control de la producción de biogás por el digestor piloto.

A continuación se describirán los procesos mencionados.

5.1. Puesta en marcha del digestor: cálculo del caudal de alimentación.

Como se comentó anteriormente para conseguir una biomasa adecuada para

el proceso de digestión anaerobia, y para ahorrar tiempo con ello, se procedió a

la inyección de fangos procedentes del interior del digestor de planta, en el

digestor piloto de estudio.

Por lo que a partir de este punto se procedió con el cálculo del caudal de

alimentación necesario para simular en el digestor piloto las mismas

condiciones de funcionamiento y los rendimientos alcanzados por el digestor de

planta. Por este motivo, para el cálculo del caudal de alimentación del digestor

piloto se han tenido en cuenta los datos de caudal de alimentación registrados

para el digestor de planta, para el año 2012 (tabla 5.1).

Tabla 5.1. Caudal de alimentación del digestor de la planta. Fuente: DAM S.L.

Año 2012 Qmixtos

(m3/día)

Enero 45 Febrero 70 Marzo 65 Abril 57 Mayo 45 Junio 45 Julio 34 Agosto 29 Septiembre 31 Octubre 36 Noviembre 39 Diciembre 28

Media: 44

A partir del caudal medio de alimentación para dicho año, y considerando que

el digestor ha sido inoculado inicialmente con fangos del digestor principal, se

ha considerado que el tiempo de retención hidráulico para el digestor piloto


43

debería ser igual que el del digestor de planta. Por lo que el procedimiento

seguido ha sido:

Digestor planta:

⁄

Digestor piloto: teniendo en cuenta el tiempo de retención hidráulico del

digestor de la planta, se procedió:

Hay que tener en cuenta para el cálculo final que el depósito de alimentación

tiene un volumen de fangos que no es bombeado al digestor piloto (rechazo).

El volumen rechazo de fangos tiene un valor de: Vrechazo=15 l. Por tanto para

que el digestor reciba el volumen correcto de fango hay que añadir ese

volumen rechazo.

Por lo que el valor final del caudal de mixtos a alimentar diariamente es de:

5.2. Proceso de alimentación del digestor piloto.

La alimentación del digestor piloto se ha realizado de manera diaria, con el

caudal de fangos mixtos citado en el apartado anterior. El alumno ha llevado a

cabo esta actividad los días laborables, mientras que los no laborables, la tarea

fue realizada por los operarios de la planta. El material empleado para llevar a

cabo la alimentación del sistema ha sido el siguiente:

Bidones plásticos con tapón roscado, con un volumen de 25 litros, cada

uno.

Transpaleta y pallet para el transporte de los bidones.

El procedimiento seguido para la alimentación del digestor piloto es el

siguiente:

1) Primeramente, mediante la ayuda de la transpaleta, se desplazan los

bidones hasta el punto de toma de fango, ubicado junto el sistema de

bombeo que alimenta con fangos de la cámara de mixtos al digestor

anaerobio de la EDAR, este se encuentra en un espacio semiconfinado y


44

bajo rasante. Para reducir riesgos, se ha ejecutado una conducción

conectada al sistema de bombeo (figura 5.1). Esta permite el llenado de los

bidones en el nivel superior, en la sala de deshidratación de fangos de la

planta.

Figura 5.1. Conducción para el llenado de los bidones. Fuente: Vera, 2013.

2) A continuación activaremos el sistema de bombeo, mediante el terminal del

sistema SCADA ubicado en la sala de cuadros de mandos adyacente a la

sala de deshidratación. Para la puesta en marcha del sistema de bombeo

es necesario activar el modo manual de funcionamiento, ya que

generalmente el sistema suele estar en modo automático.

3) Activada la bomba, procederemos con el llenado de los bidones mediante

la conducción citada anteriormente (figura 5.2). Acabado el llenado de los

bidones, desactivaremos el modo manual del sistema de bombeo y

volveremos a activar el modo automático. A continuación desplazaremos

los bidones hasta la ubicación del digestor piloto, para ello volveremos a

emplear la transpaleta.


45

Figura 5.2. Llenado del bidón.

4) Posteriormente procederemos con el llenado del depósito de alimentación

del digestor piloto. Con motivo de la elevada viscosidad del fango mixto

deberemos actuar con la mayor cautela, para evitar en la medida de lo

posible las salpicaduras de fango.

5) Una vez llenado el depósito de alimentación, se activará el sistema de

bombeo del digestor piloto. Debido a las características de la bomba el

proceso de alimentación tiene una duración de aproximadamente dos

horas. Mediante el sensor de nivel que posee el depósito de alimentación,

alcanzado el nivel mínimo, el sistema de bombeo se detendrá

automáticamente.

6) Finalmente se procederá con la limpieza del depósito de alimentación y de

los bidones. En la medida de lo posible trataremos de evitar que queden

restos de fangos en los mismos.

5.3. Toma de muestras de fango.

La frecuencia de la toma de muestras de fango ha variado en función de la fase

de proyecto en la que nos encontráramos. Así en la primera fase la toma de

muestras se realizó dos veces por semana, y en la segunda fase fue diaria.

Se tomaron diferentes muestras de fango, en función de esto el punto de toma

de las mismas cambió:

Fangos digeridos del digestor piloto

Estos fangos fueron tomados en dos puntos diferentes. El primer punto fue

la conducción de purga del digestor piloto, mientras se realizaba la

alimentación del mismo. Para el caso en que el caudal de salida de la


46

purga no fuera suficiente como para tomar una muestra, se recurrió a la

apertura parcial de la llave de paso, de la conducción que vaciaba el

contenido del digestor piloto.

Fangos digeridos del digestor de la planta

La toma de muestras de estos fangos era realizada diariamente por los

operarios de la planta, en el punto de muestreo habilitado para ello.

Fangos mixtos

Durante el proceso de llenado de los bidones para la alimentación del

digestor piloto se tomaron muestras del mismo para su análisis.

La toma de muestras de estos fangos se realizó en el mismo punto donde

se tomaron los fangos mixtos para alimentar el digestor piloto.

Fangos mixtos con hidróxido sódico

Estos fangos fueron tomados directamente del depósito de alimentación,

previa homogeneización del contenido del mismo.

Cabe comentar, que las tres primeras muestras de fango fueron tomadas

durante el transcurso de las dos fases del estudio, mientras que la última

muestra de fango solo fue recogida durante la segunda fase.

Las muestras fueron recogidas en recipientes de plástico de un litro de

capacidad, cantidad considerada suficiente para una buena homogeneización

de las muestras empleadas para cada análisis. Tomada la muestra, se llevó al

laboratorio para realizar los distintos análisis. Realizados los análisis se

limpiaron los recipientes con agua jabonosa y se dejaron secar hasta el

siguiente muestreo.

5.4. Dosificación de hidróxido de sodio al proceso de digestión anaerobia.

Como se comentó anteriormente en esta fase de la investigación lo que se

pretendió fue estudiar los efectos del pH extremo sobre el proceso de digestión

anaerobia. Para conseguir tal fin, se añadió como aditivo hidróxido de sodio

(NaOH) al proceso, variando la dosis de menor a mayor cantidad.

A continuación se explicará el fundamento, el cálculo de la dosificación de este

reactivo y el procedimiento para añadir este mismo al proceso.

5.4.1. Fundamento.

Nuestro estudio se basó en la hipótesis de que al añadir hidróxido de sodio al

proceso de digestión anaerobia se produciría un incremento en la producción

de biogás.


47

Para ello se ha partido de la reacción química: CO2 + OH- ↔ HCO3- , como

observamos el dióxido de carbono y el grupo hidroxilo, en disolución se

combinan para generar bicarbonato. Este pasará a formar parte, como reactivo,

de las reacciones de degradación de los compuestos intermedios (ácidos

grasos, alcoholes...), por las bacterias acetogénicas.

Lo que se refleja en las reacciones de degradación del etanol (ec. 1) y del

butirato (ácido graso) (ec. 2), tomadas como ejemplo:

2CH3CH2OH + HCO3- ↔ 2CH3COO- + CH4 + H2O + H+: (ec. 1)

2CH3CH2CH2COO- +HCO3- +H2O ↔ 2CH3CH2COO- + 2CH3COO- + CH4 + H+: (ec. 2)

Como observamos en ambas reacciones obtenemos como producto de

reacción acetato (CH3COO-), el cual será transformado por las bacterias

metanogénicas acetoclásticas en metano, según la reacción:

CH3COO- + H2O ↔ HCO3- + CH4

Por lo que se esperaba desplazar el equilibrio de las reacciones hacia la

producción de acetato, para obtener un incremento en la producción de biogás.

Y teniendo en cuenta que la mayoría de metano se obtiene por esta vía, se ha

esperado que se produjera también un incremento de la calidad en el biogás,

aumentando la proporción en metano del mismo.

5.4.2. Cálculo de la dosificación de hidróxido de sodio.

Para el cálculo de la cantidad a dosificar de hidróxido de sodio, se realizaron en

laboratorio pruebas con dos muestras de fango, por un lado fango mixto con el

que se alimenta el digestor y por el otro lado fango digerido procedente del

digestor piloto. Estas consistieron en buscar la dosis de NaOH al 50%

necesaria para subir los fangos mencionados a pH 8,5.

Posteriormente, el resultado obtenido de las experimentaciones en laboratorio,

fue extrapolado al digestor piloto, teniendo en cuenta, el caudal diario de

alimentación de fangos mixtos y el aumento progresivo del pH del proceso.

Esto es así, porque se buscaba la adaptación de la biomasa contenida en el

digestor piloto, a las nuevas condiciones de operación.

Teniendo en cuenta lo mencionado anteriormente se determinó que la dosis

inicial de NaOH al 50% sería de 154 ml.


48

5.4.3. Procedimiento de dosificación de hidróxido de sodio.

El procedimiento seguido para dosificar el reactivo fue el siguiente:

1) Vaciado el contenido de fangos mixtos de dos bidones, se añade la dosis

de hidróxido sódico, y posteriormente se acabó de añadir el resto de

fangos.

2) A continuación se homogeneizó la mezcla mediante agitación. Y finalmente

se procedió con la activación del sistema de bombeo.

Transcurrida una semana se incrementó la dosis de reactivo a cinco veces la

inicial. Quince días después se volvió a incrementar en diez veces la inicial.

Una vez alcanzado el pH buscado de 8,5, la dosis se bajó, de esta forma, se

mantuvo constante el pH del proceso en dicho valor.

5.5. Metodología de los análisis realizados.

Las analíticas realizadas fueron las siguientes:

Determinación de la alcalinidad total y la acidez volátil.

Determinación de la demanda química orgánica en fangos.

Determinación del pH en fangos.

Determinación de los sólidos totales del fango.

Determinación de los sólidos volátiles del fango.

Determinación del contenido en sulfuro de hidrógeno y dióxido de carbono

del biogás.

A continuación se realiza una descripción completa de cada uno de los

ensayos citados anteriormente. Estos han sido realizados según lo reflejado en

el libro: Standard Methods for Examination of Water and Wastewater, 1989.

5.5.1. Determinación de la alcalinidad total (TAC) y la acidez volátil (AGV).

Fundamento

Para determinar la alcalinidad y la acidez volátil se realizará una determinación

volumétrica ácido-base, en un extracto acuoso de los fangos de digestión, de

las bases presentes (fundamentalmente bicarbonatos) y de los ácidos volátiles

solubles. La determinación de estos parámetros es fundamental para controlar

el correcto funcionamiento del proceso de digestión anaerobia.

La estabilidad del proceso depende de la cantidad tamponante del digestor,

que viene dada por la alcalinidad. Los valores normales de alcalinidad en el

interior de un digestor varían entre 1500 y 5000 mg CaCO3/l, siendo el intervalo


49

óptimo 2000 y 2500 mg CaCO3/l. Cuanto mayor sea la alcalinidad, mayor es la

capacidad para resistir cambios de pH.

Los ácidos grasos volátiles son producidos por las bacterias acidogénicas y

tienden a disminuir el pH en el interior del digestor. En condiciones estables las

concentraciones de ácidos volátiles están en el intervalo 100 – 300 mg/l.

Por eso, a efectos de regular el proceso, deberemos determinar la relación

existente entre el contenido en ácidos volátiles y la alcalinidad total. El valor

adecuado para este parámetro deberá situarse por debajo de 0,25. Valores de

este cociente superiores a 0,8 indican que se ha producido una inhibición de la

metanogénesis. Valores situados por encima de 0,25 hasta 0,4 indican la

existencia de problemas en el proceso y deberán tomarse medidas correctoras.

Material y equipos.

Los materiales y equipos empleados para la determinación de la alcalinidad y la

acidez volátil, son los siguientes:

Dos probetas de 25 ml.

Cuatro tubos de centrífuga de 13 ml.

Centrífuga Bunsen modelo Tattus, programable, con selector de velocidad.

Dos vasos de precipitados Pyrex de 250 ml.

Placa calefactora con agitador magnético, con temperatura y velocidad

ajustables, de Schott Instruments.

pH-metro marca Crison modelo pH Basic 20 +.

Bureta digital Hirschmann Laborgeräte, modelo Solarus 50 ml.

Ácido sulfúrico (H2SO4) 0,1 N solución valorada.

Hidróxido sódico (NaOH) 0,1 N solución valorada.

Pipeta automática de volumen ajustable de 1 – 10 ml. Socorex, modelo

Acura 835.

Procedimiento experimental

El procedimiento a seguir es el detallado a continuación:

Introducir un volumen de fango previamente homogeneizado de 12,5 ml en

cada uno de los tubos de la centrífuga, empleando la pipeta automática

(figura 5.3).


50

Figura 5.3. Tubos de centrífuga con muestra de fango.

Introducir los tubos en la centrífuga y centrifugar durante 15 minutos a

velocidad media.

Recoger el sobrenadante de los tubos en los vasos de precipitados,

vertiendo dos por vaso (figura 5.4).

Figura 5.4. Vasos de precipitados con sobrenadante resultante de la centrifugación.

Suspender el residuo de los tubos con agua destilada, verter en la probeta

y enrasar con agua destilada hasta los 25 ml, eliminando el residuo de los

tubos.

Homogeneizar el contenido de las probetas y distribuir un volumen de 12,5

ml en cada tubo de centrífuga.

Introducir los tubos en la centrífuga y centrifugar de nuevo durante 15

minutos a velocidad alta (figura 5.5).


51

Figura 5.5. Tubos en el interior de la centrífuga.

Recoger el sobrenadante de los tubos en los vasos de precipitados,

vertiendo dos por vaso.

Agitar mediante agitador magnético el líquido recuperado y determinar el

pH inicial.

Añadir mediante bureta ácido sulfúrico 0,1N hasta alcanzar un pH = 4 y

anotar el volumen consumido de reactivo: V1.

Figura 5.6. Inicio de la valoración ácido - base.

Continuar añadiendo ácido sulfúrico hasta pH = 3,5.

Empleando la placa calefactora y en campana, llevar a ebullición durante 3

minutos, y dejar enfriar hasta que alcance temperatura ambiente.


52

Figura 5.7. Ebullición del sobrenadante.

Añadir mediante bureta hidróxido sódico 0,1N hasta alcanzar un pH = 4 y

anotar el volumen consumido de reactivo: V2.

Seguir añadiendo con la bureta hidróxido sódico 0,1N hasta pH = 7 y

anotar el volumen: V3.

Expresión de los resultados

El contenido de ácidos grasos volátiles y el de alcalinidad total viene expresado

por:

Donde V1, V2 y V3 son los volúmenes de los valorantes empleados, expresados

en ml.

Frecuencia de muestreo.

La determinación de estos parámetros inicialmente fue de dos veces por

semana, cuando se comenzó la adición de NaOH al proceso se incrementó la

frecuencia a diariamente.


53

5.5.2. Determinación de la demanda química orgánica (DQO) en fangos.

Fundamento

La demanda química de oxígeno de un agua, DQO, determinada por el método

del dicromato puede considerarse como una medida aproximada de la

demanda teórica de oxígeno, es decir, la cantidad de oxígeno consumida en la

oxidación química total de los constituyentes orgánicos para transformarse en

productos finales inorgánicos.

Este método se basa en la reacción de las sustancias orgánicas oxidables en

medio fuertemente acidificado con ácido sulfúrico, con dicromato de potasio, en

presencia de sulfato de plata como catalizador del proceso. El Cr 6+ presente

en forma de dicromato de potasio (K2Cr2O7) es reducido por las materias

oxidables presentes a Cr 3+, se determinará la cantidad de K2Cr2O7 no reducido,

mediante análisis espectrofotométrico, obteniéndose de esta forma el valor

presente de DQO en las muestras. Ya que 1 mol de K2Cr2O7 es equivalente a

1,5 mol de O2.

Para agilizar la determinación de la DQO, se ha empleado el kit de Hach LCK

014, con un rango de medición entre 1000 y 10000 mg O2/l.

Para determinar el valor de este parámetro en fangos, se recurrió a una

dilución de la muestra en una proporción 1:10, ya que los valores de DQO son

muy elevados para poder ser determinados mediante este método.

Material y equipos.

Los materiales y equipos empleados para la determinación de la DQO de la

muestra, son los siguientes:

Termostato Hach-Lange modelo LT 200

Cubetas - test de 13 mm de diámetro para medición de DQO de Hach-

Lange LCK 014, con rango de medición 1000 – 10000 mg O2/l.

Espectrofotómetro Hach-Lange modelo DR 2800.

Pipeta automática de volumen ajustable 0,2 – 2 ml. Socorex, modelo Acura

835.

Vaso de precipitados Pyrex de 25 ml de volumen.

Pipeta automática de volumen ajustable 100 – 1000 µl. Socorex.


El procedimiento a seguir es el detallado a continuación:

Agitar la cubeta para homogeneizar los reactivos contenidos en el interior

de la cubeta.


54

Figura 5.8. Cubeta para medición de DQO.

Pipetear en la cubeta 0,5 ml de muestra (previamente diluida y

homogeneizada), cerrar la cubeta, limpiar el exterior de la misma y agitarla.

Introducir la cubeta en el termostato, y calentar la cubeta durante dos

horas a una temperatura de 148 ± 5 ºC.

Transcurridas las dos horas de digestión extraer la cubeta del interior del

termostato, agitar la cubeta y dejar enfriar a temperatura ambiente.

Figura 5.9. Cubetas de DQO tras la digestión en el termostato.

Una vez enfriada la cubeta, limpiar bien el exterior de la misma e introducir

en el espectrofotómetro para realizar la medida de DQO de la muestra

(figura 5.10). Antes de realizar la medición los sedimentos deben estar


55

totalmente asentados, para evitar cualquier error en la lectura del

parámetro de DQO de las muestras.

Figura 5.10. Medición de DQO en el espectrofotómetro.


La demanda química de oxígeno de las muestras (DQO) vendrá expresada en

mg O2/l.


La determinación de este parámetros inicialmente fue con una frecuencia de

dos veces por semana, cuando se comenzó la adición de NaOH al proceso de

digestión anaerobia se incrementó la frecuencia de análisis a diariamente.

5.5.3. Determinación del pH en fangos.

Fundamento

El principio básico de la determinación del pH es la medida de la actividad de

los iones de hidrógeno por mediciones potenciométricas utilizando un electrodo

patrón de hidrógeno y otro de referencia. Para nuestro caso se realizaron

determinaciones de pH en fangos digeridos procedentes del digestor piloto,

fangos mixtos y fangos mixtos con hidróxido sódico.


56

Material y equipos.

Los materiales y equipos empleados para la determinación del pH en las

muestras de fango fueron:

pH-metro Crison modelo pH Basic 20 +.

3 vasos de precipitados Pyrex de 250 ml de capacidad.

Frasco lavador con agua destilada


El pH-metro de calibrará semanalmente siguiendo los siguientes pasos:

Desenroscar el tapón protector del electrodo, aclarar con agua destilada el

electrodo y secarlo.

Encender el aparato y pulsar el botón CAL y posteriormente el botón pH

para proceder con la calibración del mismo.

Introducir el electrodo en el primer tampón de pH 7,00, hasta que nos pida

el segundo tampón.

Limpiar el electrodo con agua destilada e introducir el electrodo en el

segundo tampón de pH 4,01, hasta que nos pida el tercer tampón.

Limpiar de nuevo el electrodo con agua destilada e introducir el electrodo

en el tercer tampón de pH 9,21, hasta que nos indique que el equipo ya

está calibrado.

Desconectar el pH-metro y proceder con la limpieza del electrodo con agua

destilada. Enroscar el tapón protector del electrodo.

El procedimiento seguido para determinar el pH de las diferentes muestras de

fangos es que se detalla a continuación:

Desenroscar el tapón protector del electrodo, aclarar con agua destilada el

electrodo y secarlo.

Homogeneizar la muestra mediante agitación y en un vaso de precipitados

tomar la muestra de fango.

Introducir el electrodo en el interior de la muestra y proceder con la lectura

del pH empleando el modo medición por estabilidad del aparato. (figura

5.11).


57

Figura 5.11. Medición del pH en fango digerido.

Esperar hasta obtener una lectura estable de pH y anotar la misma.

Desconectar el pH-metro y proceder con la limpieza del electrodo mediante

aclarado con agua destilada y secado del mismo. Enroscar el tapón

protector del electrodo.


El pH vendrá expresado en unidades de pH con una precisión de dos cifras

decimales.


Inicialmente la frecuencia en la que se tomaron y analizaron las muestras fue

de dos veces en semana. Posteriormente cuando se inició la adición de

hidróxido sódico al proceso de digestión anaerobia, se cambió la frecuencia de

muestreo a diariamente.

5.5.4. Determinación de los sólidos totales del fango.

Fundamento

El principio básico de la medida de los sólidos totales de un fango se basa en la

determinación gravimétrica de la materia sólida presente en las muestras de

fango tras desecación en estufa a una temperatura de 105 ± 15 ºC. Para lo

que un volumen de muestra bien homogeneizada es introducido en el interior


58

de un crisol, la cual es secada hasta alcanzar peso constante en el interior de

la estufa a la temperatura citada anteriormente. El aumento de peso con

respecto al peso del crisol vacío representa la cantidad de sólidos totales del

volumen de muestra sometido a ensayo.

Para nuestro caso se realizaron determinaciones de sólidos totales en

muestras de fangos digeridos procedentes del digestor piloto, fangos mixtos y

fangos mixtos con hidróxido sódico.

Material y equipos.

Los materiales y equipos empleados para la medida de los sólidos totales de

las muestras de fango, fueron los siguientes:

Balanza analítica marca BEL Engineering modelo MARK 150 A, con

resolución de 0,0001 g y 150 g de peso máximo.

Desecador

Estufa de secado marca J.P. Selecta modelo Conterm 2000209 con 36 l

de capacidad.

Crisol de porcelana.

Pinzas.


El procedimiento seguido para determinar los sólidos totales de las diferentes

muestras de fango es el detallado a continuación:

a) Preparación del crisol:

Introducir el crisol en la estufa de secado y calentarla durante una hora

a una temperatura de 105 ± 15 ºC.

Extraer el crisol y enfriarlo en el desecador.

Pesar el crisol y anotar la medida (P1) y conservar en el desecador

hasta su uso. (figura).

b) Análisis de la muestra:

Llenar el crisol con una muestra de fango representativa entre 25 y 50

g, volver a pesar y anotar la medición (P2).

Introducir el crisol en la estufa de secado y secar durante 24h a una

temperatura de 105 ± 15 ºC.

Extraer el crisol de la estufa y enfriar hasta temperatura ambiente en el

desecador. (figura 5.12)


59

Figura 5. 12. Desecador con crisoles de fango.

Una vez enfriado el crisol, pesar y anotar la medición (P3). (figura 5.13)

Figura 5. 13. Pesada del crisol con muestra (P3).


El contenido en solidos totales de las muestras de fango viene expresado por:

Donde P1, P2 y P3 son los pesos expresados en g.


60






5.5.5. Determinación de los sólidos volátiles del fango.

Fundamento

Obtenidos los sólidos totales de la muestra se determinará la porción de esta

volatilizable por calcinación en mufla durante una hora a una temperatura de

550 ± 50 ºC. De esta manera obtendremos la proporción de materia orgánica

presente en las muestras de fango, la cual se evaporará de la muestra y por

diferencia de pesadas podremos calcularla.

Se realizaron determinaciones de sólidos volátiles en muestras de fangos digeridos procedentes del digestor piloto, fangos mixtos y fangos mixtos con hidróxido sódico. Material y equipos.

Los materiales y equipos empleados para la medida de los sólidos volátiles

presentes en las muestras de fango, fueron los siguientes:

Balanza analítica marca BEL Engineering modelo MARK 150 A, con

resolución de 0,0001 g y 150 g de peso máximo.

Horno mufla

Desecador.

Crisol de porcelana.

Rascador.

Crisol de porcelana con la muestra procedente de la determinación de los

sólidos totales.

Pinzas para mufla.

Guantes de protección para el calor.


El procedimiento seguido para determinar los sólidos volátiles de las muestras

de fango es el detallado a continuación:

a) Preparación del crisol:

Introducir el crisol en el horno mufla y calcinarlo durante una hora a una


Extraer el crisol y enfriarlo en el desecador.


61

Pesar el crisol y anotar la medida (P1) y conservar en el desecador

hasta su uso (figura 5.14).

Figura 5.14. Pesado de crisol para mufla en báscula (P1).

b) Análisis de la muestra:

Transferir la mayor parte posible del residuo obtenido en la

determinación de los sólidos totales (ayudarse con el rascador para

despegar el residuo de las paredes del crisol) a un crisol, pesar y

anotar la medición (P2).

Introducir el crisol en el horno mufla y calcinar durante una hora a una


Extraer el crisol de la mufla, ayudándose con las pinzas para mufla y

los guantes de protección para el calor, y enfriar hasta temperatura

ambiente en el desecador. (figura 5.15)


62

Figura 5. 15. Extracción del crisol de la mufla y enfriamiento del mismo en el desecador.

Una vez enfriado el crisol pesar en la báscula y anotar esta medición

(P3).

Figura 5. 16. Muestras de fango calcinadas en mufla (P3).


El contenido en solidos volátiles de las muestras de fango viene expresado por:

Donde P1, P2 y P3 son los pesos expresados en g.


63






5.5.6. Determinación del contenido en sulfuro de hidrógeno (H2S) y

dióxido de carbono (CO2) del biogás.

Fundamento

El biogás producido durante la digestión anaerobia contiene metano (CH4) y

dióxido de carbono (CO2) como componentes principales, con cantidades

menores de hidrógeno (H2), sulfuro de hidrógeno (H2S), nitrógeno (N2) y

oxígeno (O2), además de estar saturado de vapor de agua. Comúnmente se

analiza la composición del biogás producido para estimar su valor de

combustión y verificar el proceso de tratamiento. Las proporciones relativas de

CO2, CH4 y H2S son normalmente las de mayor interés debido a los

porcentajes relativamente elevados de estos gases.

La determinación del contenido en H2S y CO2 del biogás se basa en la

obtención de muestras del mismo del interior del digestor mediante una bomba

manual de pistón en cuyo extremo vendrán colocados diferentes tubos

colorimétricos en función del compuesto a analizar.

Material y equipos.

Los materiales y equipos empleados para la medida del contenido en H2S y

CO2 del biogás, han sido los siguientes:

Bomba manual de pistón de RAE Systems modelo LP-1200.

Tubo colorimétrico de detección de H2S de RAE Systems con rango de

medición del 100-2000 ppm.

Tubo colorimétrico de detección de CO2 de RAE Systems con rango de

medición del 5-40%.


El procedimiento a seguir para determinar el contenido en H2S y CO2 (figura

5.17) es el detallado a continuación:


64

Romper ambos extremos de un tubo de detección nuevo, utilizando la

boquilla lateral de la bomba e introducirlo en la entrada de goma de la

bomba con la flecha del tubo en dirección a la bomba.

Figura 5. 17. Bomba manual de pistón y tubos colorimétricos.

Selecciona el volumen de bomba deseado, y alinear la marca roja del

cuerpo con la marca del émbolo. Para la medición de H2S el volumen

seleccionado será de 100 ml para la determinación del CO2 el volumen

será de 50 ml.

Tirar del asa del émbolo rápidamente hasta que se fije en 50 o 100 ml (se

oirá un clic) y esperar el tiempo indicado, para permitir al aire circular por el

tubo. El caudal se completa cuando el indicador de la parte trasera brilla

como al principio. Para el caso del H2S se producirá un cambio de color de

blanco a marrón, indicando la concentración presente de este compuesto.

En el caso del CO2 el cambio de color es de blanco a morado.

Lee la concentración directamente de la escala grabada en el tubo, la

lectura se deberá realizar inmediatamente después de la toma de muestra,

ya que en el caso del CO2 el color se difumina con el paso del tiempo.


El contenido en H2S de la muestra de biogás vendrá expresado en mg/l o ppm.

Mientras que el contenido en CO2 del biogás se expresa en porcentaje.


65


La determinación de este parámetros inicialmente fue con una frecuencia de

dos veces por semana, cuando se comenzó la adición de NaOH al proceso de

digestión anaerobia se incrementó la frecuencia de análisis a diariamente.

5.6. Control del biogás producido.

Mediante la instalación del caudalímetro, diariamente se controló el volumen de

biogás producido por el digestor piloto. Como se comentó anteriormente, este

caudalímetro es un contador de gas doméstico, generalmente utilizado para el

control del consumo de gas natural en los hogares que disponen del mismo.

Para llevar a cabo dicha tarea, se elaboró una tabla para la toma de datos

(figura 5.18), en la que diariamente se anotaron:

Fecha de la medición.

Hora de la medición.

Volumen de alimentación de fangos mixtos.

Medición del gas reflejada en el visor del caudalímetro.

Variación de la medición con respecto al día anterior, o lo que es lo mismo

producción de biogás diaria.

Figura 5. 18. Tabla de toma de datos para el control de biogás producido.

La toma de datos se realizó diariamente por el alumno, durante los días

laborables y durante los no laborables fueron los operarios de la planta los que

la realizaron.


66

6. RESULTADOS Y DISCUSIÓN.

Como se ha comentado el presente estudio tiene dos fases y cada una de ellas

ha perseguido un objetivo.

1ª Fase: se busca que el digestor piloto trabaje con los mismos parámetros de funcionamiento que el digestor anaerobio de la planta, logrando una estabilización del digestor piloto.

2ª Fase: estudio de los efectos del pH extremo sobre el proceso de digestión anaerobia, para ello se ha añadido al proceso como aditivo hidróxido de sodio.

Todo esto se justificará mediante el análisis de los siguientes parámetros:

Determinación de la alcalinidad total y la acidez volátil. Determinación de la demanda química de oxígeno en fangos. Determinación del pH en fangos. Determinación de los sólidos totales del fango. Determinación de los sólidos volátiles del fango. Determinación del contenido en sulfuro de hidrógeno y dióxido de carbono

del biogás.

Estos análisis se han realizado siguiendo la metodología descrita en el

apartado 5.5 de la presente memoria. Los resultados de los mismos son los

que se muestran a continuación.

6.1. Primera fase.

La primera fase ha durado un período de 1 mes. Durante la primera quincena

del mismo no se realizaron análisis de los fangos digeridos del digestor piloto,

ya que se esperó un tiempo prudencial para que se estabilizara el proceso,

además se produjeron varias incidencias que retrasaron el inicio de las

analíticas:

Retraso en el inicio de funcionamiento del nuevo sistema de calefacción. Fugas de biogás en el digestor piloto, las cuales fueron detectadas y

tapadas.


Fangos digeridos La tabla 6.1, muestra los resultados de los parámetros de alcalinidad total y

acidez volátil para las muestras de fango extraídas del digestor anaerobio

piloto.


67

Tabla 6.1.Resultados de TAC y AGV de los fangos del digestor piloto.

Fangos digestor piloto

Fecha TAC

(mg CaCO3/l)

AGV

(mg CaCO3/l) AGV/TAC

02/07/2013 2920 292 0,10

04/07/2013 2928 262 0,09

09/07/2013 3244 276 0,09

11/07/2013 3314 318 0,10

16/07/2013 3258 270 0,09

Promedio 3133 284 0,09

Los resultados de los análisis de alcalinidad total y acidez volátil, realizados a

las muestras de fango extraídas del digestor anaerobio de la EDAR, se recogen

en la tabla 6.2.

Tabla 6.2. Resultados TAC y AGV de los fangos digeridos del digestor de planta.

Fangos digestor planta

Fecha TAC

(mg CaCO3/l)

AGV

(mg CaCO3/l) AGV/TAC

02/07/2013 3158 292 0,10

04/07/2013 3068 264 0,09

09/07/2013 3150 285 0,09

11/07/2013 3258 320 0,10

16/07/2013 3145 286 0,09

Promedio 3156 289 0,09

Calculando la variación de los valores analíticos de dichos parámetros

obtenidos en el digestor piloto con respecto a los valores del digestor de planta,

se obtiene lo indicado en la tabla 6.3.

Tabla 6.3. Variación del TAC y AGV de los fangos del digestor piloto con respecto a los fangos del digestor de planta.

Variación

Fecha TAC

(%)

AGV

(%)

02/07/2013 -7,54 0,00

04/07/2013 -4,56 -0,76

09/07/2013 2,98 -3,16

11/07/2013 1,72 -0,63

16/07/2013 3,59 -4,90

Promedio -0,76 -1,89


68

La figura 6.1 recoge los valores analíticos obtenidos en la determinación de la

alcalinidad total para el caso del digestor piloto y el de planta. Los valores

obtenidos en el digestor piloto varían entre 2920 y 3314 mg CaCO3/l, mientras

que en el digestor anaerobio de la planta, estos oscilan entre 3068 y 3258 mg

CaCO3/l. Obteniéndose de media, que los valores son un 0,76 % inferiores en

el digestor piloto con respecto al de planta. Por lo que deducimos que el

digestor piloto ha logrado obtener un parámetro para la alcalinidad total muy

aproximado al que se obtiene en el digestor anaerobio de planta.

Figura 6.1. Representación de la alcalinidad total para el digestor piloto y para el de

planta y su porcentaje de variación.

Para el caso de la acidez volátil (AGV), la figura 6.2 recoge los valores

analíticos obtenidos durante su determinación, para el caso del digestor piloto y

el de planta. Los valores obtenidos en el digestor piloto varían entre 262 y 318

mg CaCO3/l, mientras que en el digestor anaerobio de la planta, se encuentran

entre 264 y 320 mg CaCO3/l. De media de obtiene, que los valores son un 1,89

% inferiores en el digestor piloto con respecto al de planta. Por lo que

deducimos que el digestor piloto, para el parámetro de acidez volátil, se

aproxima bastante al valor de este en planta.

-10,00

-8,00

-6,00

-4,00

-2,00

0,00

2,00

4,00

6,00

2700

2800

2900

3000

3100

3200

3300

3400

2-jul 5-jul 8-jul 11-jul 14-jul

Var

iaci

ón

%

TAC

(m

gCaC

O3

/l)

D.piloto D.planta % Variación


69

Figura 6.2. Representación de la acidez volátil para el digestor piloto y para el de


6.1.2. Determinación de la demanda química de oxígeno en fangos (DQO).

Fangos digeridos Los resultados obtenidos para la determinación de la demanda química de

oxígeno, para los fangos digeridos del digestor piloto y del digestor de planta,

se muestran en la tabla 6.4.

Tabla 6.4. Resultados de DQO para los fangos digeridos del digestor piloto y del de la planta.

Fangos

digestor piloto

Fangos

digestor planta

Fecha DQO

(mg O2/l)

DQO

(mg O2/l)

02/07/2013 22010 20170

04/07/2013 21900 20050

09/07/2013 22300 21700

11/07/2013 23600 22900

16/07/2013 22060 21500

Promedio 22374 21264

-6,00

-5,00

-4,00

-3,00

-2,00

-1,00

0,00

0

50

100

150

200

250

300

350


Var

iaci

ón

%

AG

V (

mgC

aCO

3/l

)



70

La variación del parámetro de DQO obtenido en el digestor piloto con respecto

al del digestor de planta se refleja en la tabla 6.5.

Tabla 6.5. Variación de la DQO de los fangos del digestor piloto con respecto a los fangos del digestor de planta.

Variación

Fecha DQO

(%)

02/07/2013 9,12 04/07/2013 9,23 09/07/2013 2,76 11/07/2013 3,06 16/07/2013 2,60

Promedio 5,22

En cuanto a la DQO, los resultados de los distintos análisis efectuados se

encuentran recogidos en la figura 6.3. En ella se aprecia una evolución similar

para ambos digestores, encontrándose entre 21.900 y 23.600 mg O2/l para el

digestor piloto y entre 20.050 y 22.900 mg O2/l para el digestor de la EDAR. En

general, la variación media de los valores de la DQO es un 5,22% más alta en

el digestor piloto que en el digestor de la planta.

Figura 6.3. Representación de la DQO para el digestor piloto y el de planta y su

porcentaje de variación.

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

6,00

7,00

8,00

9,00

10,00

18000

19000

20000

21000

22000

23000

24000


Var

iaci

ón

%

DQ

O (

mg

O2

/l)



71

Fangos mixtos

Los resultados de la DQO para los fangos mixtos vienen expresados en la tabla

6.6, y como observamos sus valores son mayores en comparación con los de

los fangos digeridos. Esto es así porque este parámetro mide la cantidad de

materia que es susceptibles de ser oxidada por medios químicos, disueltas o

en suspensión, en la muestra de fango. Por lo que lógicamente este valor será

más bajo después de someter los fangos al proceso de estabilización por

digestión anaerobia.

Tabla 6.6. Resultados de DQO de los fangos mixtos de alimentación.

Fangos mixtos

Fecha DQO (mg O2/l)

02/07/2013 56940

04/07/2013 53820

09/07/2013 50740

11/07/2013 49500

16/07/2013 40770

Promedio 50354


Fangos digeridos La tabla 6.7, recoge los valores de pH obtenidos durante la determinación de

este parámetro, para el caso de los fangos digeridos del digestor anaerobio

piloto y del digestor anaerobio de la planta.

Tabla 6.7. Resultados de pH de los fangos digeridos del digestor piloto y del digestor de la planta.

Fangos digestor

piloto

Fangos digestor

planta

Fecha pH pH

02/07/2013 7,22 7,33

04/07/2013 7,28 7,31

09/07/2013 7,32 7,30

11/07/2013 7,32 7,31

16/07/2013 7,30 7,29

Promedio 7,29 7,31

Calculando la variación de los valores analíticos de los pH obtenidos en el

digestor piloto con respecto a los valores del digestor de planta, se obtiene lo

indicado en la tabla 6.8.


72

Tabla 6.8. Variación del pH de los fangos del digestor piloto con respecto a los fangos del digestor de planta.

Variación

Fecha pH

02/07/2013 -1,50 04/07/2013 -0,41 09/07/2013 0,27 11/07/2013 0,14 16/07/2013 0,14

Promedio -0,27

La figura 6.4 recoge los valores analíticos obtenidos en la determinación del pH

para el caso del digestor piloto y el de planta. Los valores obtenidos en el

digestor piloto varían entre 7,22 y 7,32, mientras que en el digestor anaerobio

de la planta, estos oscilan entre 7,29 y 7,33. Obteniéndose de media, que los

valores son un 0,27 %, inferiores en el digestor piloto con respecto al de planta.

Por lo que el digestor piloto ha logrado aproximarse al valor del parámetro

registrado en el digestor de la EDAR.

Figura 6.4. Representación del pH para el digestor piloto y para el de planta y su

porcentaje de variación.

Fangos mixtos Como muestra la tabla 6.9, el pH de los fangos mixtos es más ácido que el de

los fangos digeridos. Esto es así porque durante la fase de degradación del

acetato por bacterias metanogénicas acetoclásticas, se produce metano y

bicarbonato que genera alcalinidad como observamos en la reacción:

CH3COO- + H2O ↔ HCO3- + CH4

-1,60

-1,40

-1,20

-1,00

-0,80

-0,60

-0,40

-0,20

0,00

0,20

0,40

7,16

7,18

7,20

7,22

7,24

7,26

7,28

7,30

7,32

7,34


Var

iaci

ón

%

pH



73

Tabla 6.9. Resultados de pH de los fangos mixtos de alimentación.

Fangos mixtos

Fecha pH

02/07/2013 6,14

04/07/2013 6,38

09/07/2013 6,30

11/07/2013 6,26

16/07/2013 6,35

Promedio 6,29

6.1.4. Determinación de los sólidos totales (MS) y volátiles (MV) del fango.

Fangos digeridos La siguiente tabla recoge los resultados obtenidos en la determinación de los

parámetros de sólidos volátiles para el caso del digestor piloto y del digestor de

planta.

Tabla 6.10. Resultados de MS y MV de los fangos digeridos del digestor piloto y del digestor de la EDAR.

Fangos digestor piloto Fangos digestor planta

Fecha MS (%) MV (%) MS (%) MV (%)

02/07/2013 2,02 67,99 1,96 67,47

04/07/2013 2,03 68,06 1,94 67,68

09/07/2013 2,05 69,46 1,97 67,34

11/07/2013 2,01 68,09 1,95 67,80

16/07/2013 2,02 67,71 1,93 68,04

Promedio 2,03 68,26 1,95 67,67

Si se calculan las variaciones de los valores analíticos en el digestor piloto con

respecto a los valores del digestor de la planta, se obtiene lo indicado en la

tabla 6.11.

Tabla 6. 11. Variación del MS y MV de los fangos del digestor piloto con respecto a los fangos del digestor de planta.

Variación

Fecha MS (%) MV (%)

02/07/2013 3,03 0,78 04/07/2013 4,64 0,56 09/07/2013 4,29 3,15 11/07/2013 3,10 0,43 16/07/2013 4,66 -0,49

Promedio 3,94 0,89


74

La figura 6.5 recoge los valores analíticos obtenidos en la determinación de los

sólidos totales de las muestras de fango digerido, para el caso del digestor

piloto y el de planta. Los valores obtenidos en el digestor piloto oscilan entre

2,01 y 2,05 %, mientras que en el digestor de la planta, estos varían entre 1,93

y 1,97%. Obteniéndose de media, que los valores son un 3,94 %, superiores en

el digestor piloto que en el digestor de la EDAR.

Figura 6.5. Representación de los sólidos totales para el digestor piloto y para el de


Para el caso de los sólidos volátiles, los resultados obtenidos en la

determinación se reflejan en la figura 6.6. Para el caso de los valores obtenidos

en el digestor piloto, estos se encuentran en el rango comprendido entre 67,71

y 69,46 %, mientras que los obtenidos para el digestor de planta varían entre el

67,34 y el 68,04 %. En general, la variación media de los valores de los sólidos

volátiles es un 0,89% mayor en el digestor piloto que en digestor de planta. Por

lo que para el caso de este parámetro se ha alcanzado un valor aproximado al

digestor de la planta.

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50

5,00

1,86

1,88

1,90

1,92

1,94

1,96

1,98

2,00

2,02

2,04

2,06

2,08


Var

iaci

ón

%

MS

(%)



75

Figura 6.6. Representación de los sólidos volátiles para el digestor piloto y para el de


Fangos mixtos La tabla 6.12 contiene los datos obtenidos en la determinación de los sólidos

totales (materia seca) y de los sólidos volátiles (materia volátil). Ambos

porcentajes son mayores que los obtenidos para fangos digeridos, esto es así

porque durante el proceso de digestión anaerobia, se produce una reducción

de sólidos totales y de los sólidos volátiles en el interior del digestor.

Tabla 6.12. Resultados de sólidos totales y volátiles de los fangos mixtos de alimentación.

Fangos mixtos

Fecha MS (%) MV (%)

02/07/2013 3,45 78,87

04/07/2013 3,30 77,83

09/07/2013 3,06 78,35

11/07/2013 3,27 76,26

16/07/2013 2,92 78,57

Promedio 3,20 77,98

-1,00

-0,50

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

66,00

66,50

67,00

67,50

68,00

68,50

69,00

69,50

70,00


Var

iaci

ón

%

MV

(%

)



76

6.1.5. Control del biogás producido.

La tabla 6.13 presenta los valores registrados por el contador de gas, para el

período de estudio. La toma de datos se intentó realizar de manera periódica

recogiendo los registros todos los días a la misma hora, por lo que de este

modo, la producción de biogás, refleja el biogás producido a lo largo de 24

horas.

Tabla 6.13. Control de la producción de biogás por el digestor piloto.

Fecha Hora Contador

gas (l) Producción

(l)

01/07/2013 9:45 14.334 -

02/07/2013 10:00 15.090 756

03/07/2013 9:50 15.962 872

04/07/2013 9:55 16.970 1008

05/07/2013 9:56 17.848 878

06/07/2013 9:00 18.806 958

07/07/2013 9:30 19.762 956

08/07/2013 9:44 20.424 662

09/07/2013 9:44 21.132 708

10/07/2013 9:45 21.481 349

11/07/2013 9:43 22.213 732

12/07/2013 9:47 22.828 615

13/07/2013 9:30 23.679 851

14/07/2013 9:15 24.529 850

15/07/2013 9:50 25.380 851

16/07/2013 9:40 26.236 856

17/07/2013 9:30 27.037 801

Total 12.703

Promedio 823,6

La figura 6.7 representa la producción de biogás en el periodo considerado. En

ella se observa, que para el día 10 de julio, se produce una disminución

acusada de la producción, debida a una fuga de biogás del sistema.


77

Figura 6.7. Producción de biogás del digestor piloto durante la primera fase de

investigación.

6.2. Segunda fase.

El inicio de la segunda fase ha supuesto también el comienzo en la dosificación

de hidróxido de sodio al 50%, al proceso de digestión anaerobia. También

supone en análisis de un nuevo tipo de fango: fango mixto con NaOH.

Esta fase ha durado un período de 28 días. Cabe comentar, que durante el

transcurso de esta se produjo la siguiente incidencia:

Fallo en la válvula neumática pic de fangos del espesador, lo que ocasionó que durante el tiempo que duró el fallo, la cámara de mixtos solo recibió fangos procedentes del biológico, lo que supuso una alimentación del digestor piloto, con fangos secundarios, en lugar de los fangos mixtos.

Durante el transcurso de esta se analizaron los parámetros que se describirán

a continuación.

0

200

400

600

800

1000

1200

2-j

ul

3-j

ul

4-j

ul

5-j

ul

6-j

ul

7-j

ul

8-j

ul

9-j

ul

10

-ju

l

11

-ju

l

12

-ju

l

13

-ju

l

14

-ju

l

15

-ju

l

16-j

ul

17

-ju

l

Bio

gás

pro

du

cid

o (

l)


78


Fangos digeridos

La 6.14, muestra los resultados de los parámetros de alcalinidad total y acidez

volátil para las muestras de fango extraídas del digestor anaerobio piloto.

Como se observa se ha producido un incremento progresivo en la alcalinidad

total, dato del todo lógico, ya que estamos aumentando la alcalinidad del

proceso al incrementar la producción de bicarbonato. También se ha registrado

un aumento de la acidez volátil, a la vista de estos valores, suponemos que se

ha incrementado la producción de acetato (ácido graso volátil).

Tabla 6. 14. Resultados TAC y AGV de los fangos digeridos del digestor piloto.


Fecha TAC (mg CaCO3/l) AGV (mg CaCO3/l) AGV/TAC

18/07/2013 3296 252 0,08

22/07/2013 3180 220 0,07

23/07/2013 3476 226 0,07

24/07/2013 4406 534 0,12

25/07/2013 4236 496 0,12

26/07/2013 4040 336 0,08

29/07/2013 4776 344 0,07

30/07/2013 4386 402 0,09

31/07/2013 4628 400 0,09

01/08/2013 4626 290 0,06

02/08/2013 4460 246 0,06

05/08/2013 4636 448 0,10

06/08/2013 4688 472 0,10

07/08/2013 4720 270 0,06

08/08/2013 4900 300 0,06

09/08/2013 5540 332 0,06

12/08/2013 6022 704 0,12

13/08/2013 5826 708 0,12

14/08/2013 6504 872 0,13

Promedio 4650 413 0,09

6.2.2. Determinación de la demanda química de oxígeno en fangos (DQO).

Fangos digeridos Los resultados para la demanda química de oxígeno para los fangos digeridos

del digestor piloto, como se observa en la tabla 6.15l, se han ido incrementando

conforme hemos añadido el nuevo aditivo al proceso. Esto indica que hay una

mayor cantidad de sustancias susceptibles de ser oxidadas por medios

químicos.


79

Tabla 6.15. Resultados de DQO de los fangos digeridos del digestor piloto.


Fecha DQO

(mg O2/l)

18/07/2013 23320

22/07/2013 24250

23/07/2013 24020

24/07/2013 26260

25/07/2013 25440

26/07/2013 23460

29/07/2013 24100

30/07/2013 25270

31/07/2013 21250

01/08/2013 25100

02/08/2013 22360

05/08/2013 24240

06/08/2013 24720

07/08/2013 24770

08/08/2013 21950

09/08/2013 22620

12/08/2013 23230

13/08/2013 31490

14/08/2013 24720

Promedio 24346

Fangos mixtos

La siguiente tabla muestra los resultados obtenidos en la determinación de la

demanda química de oxígeno para

Tabla 6.16. Resultados de DQO de los fangos mixtos para alimentación del digestor piloto.

Fangos mixtos

Fangos mixtos con sosa

Variación

Fecha DQO

(mg O2/l) DQO

(mg O2/l) %

29/07/2013 46420 48300 4,05

30/07/2013 49330 48500 -1,68

31/07/2013 49260 48470 -1,60

01/08/2013 48690 47810 -1,81

02/08/2013 61470 47600 -22,56

05/08/2013 34250 33400 -2,48

06/08/2013 32970 33300 1,00

07/08/2013 32440 34300 5,73


80

Fecha DQO

(mg O2/l) DQO

(mg O2/l) %

08/08/2013 33880 41800 23,38

09/08/2013 34630 39810 14,96

12/08/2013 33270 36660 10,19

13/08/2013 31490 48480 53,95

14/08/2013 30120 29810 -1,03

Promedio 39863 41403 6,31

La figura 6.8 es una representación gráfica de cómo han ido variando los

valores para el parámetro de demanda química, de ella podemos deducir que

el porcentaje de variación media del parámetro es un 6,31% mayor en los

fangos mixtos con NaOH, que sin ella.

Figura 6.8. Representación de la DQO para el fango mixto y para el fango mixto con

NaOH y su porcentaje de variación.

-30,00

-20,00

-10,00

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

29-jul 31-jul 2-ago 4-ago 6-ago 8-ago 10-ago 12-ago 14-ago

Var

iaci

ón

%

DQ

O (

mg

O2/l

F.mixtos F.mixtos + sosa % Variación


81


Fangos digeridos

Para el caso del pH, los resultados mostrados en la tabla 6.17, indican un

aumento progresivo del parámetro, lo que es lógico, ya que es una de las

consecuencias de añadir el nuevo aditivo. De hecho, el pH ha sido tomado

como parámetro de control a la hora de dosificar diariamente el NaOH, y para

el cálculo de la dosis inicial.

Tabla 6.17. Resultados de pH de los fangos digeridos del digestor piloto.


Fecha pH

18/07/2013 7,23

22/07/2013 7,26

23/07/2013 7,29

24/07/2013 7,38

25/07/2013 7,48

26/07/2013 7,55

29/07/2013 7,61

30/07/2013 7,63

31/07/2013 7,65

01/08/2013 7,72

02/08/2013 7,70

05/08/2013 7,80

06/08/2013 7,93

07/08/2013 7,95

08/08/2013 7,94

09/08/2013 8,10

12/08/2013 8,47

13/08/2013 8,53

14/08/2013 8,60

Promedio 7,78

Fangos mixtos La tabla 6.18, presenta los resultados obtenidos en la determinación del pH

para muestras de fango mixto con NaOH (sosa caustica) y sin NaOH. Como

refleja la tabla, según añadimos el hidróxido sódico al fango mixto, este

experimenta un incremento del pH, en concreto la variación media es de un

44,80 % mayor en el fango con NaOH que sin él.


82

Tabla 6.18. Resultados de pH de los fangos mixtos del digestor piloto.

Fangos mixtos


Variación

Fecha pH pH %

29/07/2013 6,25 7,80 24,80

30/07/2013 6,27 7,88 25,68

31/07/2013 6,18 7,90 27,83

01/08/2013 6,37 7,98 25,27

02/08/2013 6,33 7,90 24,80

05/08/2013 6,44 7,95 23,45

06/08/2013 6,41 9,54 48,83

07/08/2013 6,37 9,58 50,39

08/08/2013 6,37 9,90 55,42

09/08/2013 6,22 10,55 69,61

12/08/2013 6,38 10,20 59,87

13/08/2013 6,33 10,85 71,41

14/08/2013 6,29 11,01 75,04

Promedio 6,32 9,16 44,80

Como refleja la figura 6.9, según añadimos el hidróxido sódico al fango mixto,

este experimenta un incremento del pH, en concreto la variación media es de

un 44,80 % mayor en el fango con NaOH que sin él.

Figura 6.9. Representación del pH para el fango mixto y para el fango mixto con

NaOH y su porcentaje de variación.

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00


Var

iaci

ón

%

pH



83

6.2.4. Determinación de los sólidos totales (MS) y volátiles (MV) del fango.

Fangos digeridos

Los resultados de los análisis realizados para determinar, ambos parámetros,

se recogen en la tabla 6.19. Si comparamos el promedio de ambos parámetros,

con el obtenido en la primera fase de investigación, podemos observar un

incremento en el porcentaje de sólidos totales y un descenso en el de sólidos

volátiles. Lo que puede suponer una pequeña disminución en la biomasa del

digestor.

Tabla 6.19. Resultados de MS y MV de los fangos digeridos del digestor piloto.


Fecha MS (%) MV (%)

18/07/2013 2,16 65,50

22/07/2013 2,18 67,27

23/07/2013 1,99 67,43

24/07/2013 2,34 65,96

25/07/2013 2,18 64,92

26/07/2013 2,15 64,50

29/07/2013 2,21 61,75

30/07/2013 2,21 62,17

31/07/2013 2,22 62,46

01/08/2013 2,13 64,09

02/08/2013 2,18 62,10

05/08/2013 2,23 64,02

06/08/2013 2,32 60,84

07/08/2013 2,24 62,79

08/08/2013 2,27 62,32

09/08/2013 2,12 62,91

12/08/2013 2,19 59,22

13/08/2013 2,48 64,87

14/08/2013 2,20 71,07

Promedio 2,21 64,01

Fangos mixtos Los resultados de los análisis realizados para determinar ambos parámetros

para fangos mixtos y fangos mixtos con NaOH, se recogen en la tabla 6.20.


84

Tabla 6.20. Resultados de MS y MV de los fangos mixtos para alimentación del digestor piloto.

Fangos mixtos


Variación

Fecha MS (%) MSV (%) MS (%) MSV (%) MS (%) MV (%)

29/07/2013 3,10 83,09 3,25 78,35 -4,84 5,70

30/07/2013 3,27 79,83 3,18 79,11 2,75 0,90

31/07/2013 3,29 78,89 3,64 77,15 -10,64 2,21

01/08/2013 3,48 77,19 3,50 76,59 -0,57 0,78

02/08/2013 3,44 77,56 3,43 76,88 0,29 0,88

05/08/2013 2,66 77,43 2,74 73,52 -3,01 5,05

06/08/2013 2,56 77,39 2,71 70,20 -5,86 9,29

07/08/2013 2,55 77,76 2,80 74,50 -9,80 4,19

08/08/2013 2,64 77,53 2,81 69,72 -6,44 10,07

09/08/2013 2,66 76,82 2,99 66,81 -12,41 13,03

12/08/2013 2,36 76,56 2,68 63,89 -13,56 16,55

13/08/2013 2,48 77,15 3,46 56,57 -39,52 26,68

14/08/2013 2,41 75,43 2,48 57,77 -2,90 23,41

Promedio 2,84 77,89 3,05 70,85 -8,19 9,13

La figura 6.10, recoge los valores analíticos obtenidos en la determinación de

los sólidos totales de las muestras de fango mixto, para el caso de muestra con

el aditivo y sin el aditivo. Obteniéndose de media, que los valores son un 8,19

%, superiores en los fangos mixtos con NaOH que en los mismos sin el aditivo.

Figura 6.10. Representación de los sólidos totales (MS) para el fango mixto y para el

fango mixto con NaOH y su porcentaje de variación.

-5,00

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

35,00

40,00

45,00

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00


Var

iaci

ón

%

MS

(%)



85

Para el caso de los sólidos volátiles, los resultados obtenidos en la

determinación se reflejan en la figura 6.11. En general, la variación media de

los valores de los sólidos volátiles es un 9,13% mayor en los fangos mixtos que

en los fangos mixtos con aditivo.

Figura 6. 11. Representación de los sólidos volátiles (MV) para el fango mixto y para

el fango mixto con NaOH y su porcentaje de variación.

-30,00

-25,00

-20,00

-15,00

-10,00

-5,00

0,00

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00

90,00


Var

iaci

ón

%

MV

(%

)



86

6.2.5. Control del biogás.

A continuación, se recogen en la tabla 6.21. los valores registrados por el contador de gas, para el período de estudio.

Tabla 6. 21. Control de la producción de biogás por el digestor piloto.

Fecha Hora Contador

gas (l) Producción

(l) V. NaOH

(l)

18/07/2013 9:40 27.778 741 0,154

19/07/2013 9:35 28.480 702 0,154

20/07/2013 9:15 29.152 672 0,154

21/07/2013 10:15 29.840 688 0,154

22/07/2013 9:45 30.445 605 0,154

23/07/2013 9:35 31.111 666 0,770

24/07/2013 9:40 31.727 616 0,770

25/07/2013 9:30 32.346 619 0,770

26/07/2013 9:34 32.816 470 0,770

27/07/2013 9:40 33.298 482 0,770

28/07/2013 9:40 33.716 418 0,770

29/07/2013 9:33 34.131 415 0,770

30/07/2013 9:35 34.621 490 0,770

31/07/2013 9:36 35.052 431 0,770

01/08/2013 9:30 35.745 693 0,770

02/08/2013 9:35 36.522 777 0,770

03/08/2013 9:30 37.263 741 0,770

04/08/2013 9:40 38.015 752 0,770

05/08/2013 9:35 38.693 678 0,770

06/08/2013 9:45 39.162 469 1,540

07/08/2013 11:05 39.599 437 1,540

08/08/2013 9:40 40.085 486 1,540

09/08/2013 9:35 40.505 420 1,540

10/08/2013 8:30 40.734 229 1,540

11/08/2013 10:00 40.901 167 1,540

12/08/2013 9:40 41040 139 1,540

13/08/2013 9:50 41156 116 1,540

14/08/2013 9:50 41239 83 0,154

Total 26.905 24

Promedio 611,5 0,9

La figura 6.12, representa la producción de biogás en el periodo considerado.

En ella se observan, varias disminuciones en la producción de biogás, la

primera va desde el 26 de julio al 31 de julio, período de tiempo, que coincide

con la incidencia en la válvula pic, por lo que este descenso es debido a que el

digestor solo fue alimentado con fangos secundarios.


87

La siguiente disminución va desde del 6 de agosto hasta el 14 de agosto, esta

es debida al incremento excesivo en el pH del proceso, lo que suponemos que

ha provocado una inhibición de las bacterias metanogénicas encargadas de la

producción de metano, lo que ha afectado a la producción total de biogás por el

digestor piloto.

Figura 6.12. Producción de biogás del digestor piloto durante la segunda fase de

investigación.

6.2.6. Determinación de la composición del biogás.

Procediendo según la metodología descrita en el apartado 5.5 de la presente

memoria, se midió el contenido de dióxido de carbono y de sulfuro de

hidrógeno contenido en el biogás, producido por el digestor piloto. Dada la

imposibilidad de determinar por este método el contenido en metano,

consideramos que el biogás se compone principalmente de tres compuestos:

sulfuro de hidrógeno, dióxido de carbono y metano, despreciando los otros

compuestos. Por lo que midiendo el contenido de los otros dos gases y

teniendo en cuenta el volumen de biogás producido, determinaremos

aproximadamente, el porcentaje de metano contenido en el biogás.

Teniendo en cuenta lo anterior, la composición del biogás producido por el

digestor piloto, viene reflejada en la tabla 6.22.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

18-jul 21-jul 24-jul 27-jul 30-jul 2-ago 5-ago 8-ago 11-ago 14-ago

Bio

gás

pro

du

cid

o (

l)


88

Tabla 6. 22. Composición del biogás producido.

Fecha H2S (% ) CO2 (%) CH4 (%)

03/07/2013 0,93 25 73,56

05/07/2013 1,00 20 79,00

09/07/2013 0,79 22 62,26

12/07/2013 1,15 20 55,23

16/07/2013 1,08 18 78,89

18/07/2013 1,00 20 66,67

22/07/2013 0,93 20 54,48

23/07/2013 0,86 15 63,82

24/07/2013 0,72 15 59,13

25/07/2013 0,65 15 59,47

26/07/2013 0,65 15 45,15

29/07/2013 0,43 10 42,34

30/07/2013 0,50 10 49,95

31/07/2013 0,43 10 43,97

01/08/2013 0,57 10 70,59

02/08/2013 0,50 10 79,20

05/08/2013 0,57 10 69,06

06/08/2013 0,43 10 47,85

07/08/2013 0,36 5 47,10

08/08/2013 0,36 5 52,39

09/08/2013 0,29 5 45,31

12/08/2013 0,14 3 15,33

13/08/2013 0,07 0 13,20

Promedio 0,63 13 55,39


89

7. CONCLUSIONES.

Del estudio realizado podemos sacar las siguientes conclusiones:

A la vista de los resultados presentados para la primera fase del estudio,

podemos concluir que el objetivo perseguido en esta fase se ha logrado. El

digestor anaerobio piloto ha conseguido alcanzar la estabilidad y trabajar

dentro del rango de parámetros que definen el funcionamiento del digestor

anaerobio de la EDAR.

Observando los resultados obtenidos para la segunda fase del estudio,

podemos concluir que el incremento de pH mediante la adición de NaOH,

ha desestabilizado el proceso de digestión anaerobia. Lo que ha afectado

negativamente al rendimiento del mismo, lo que ha supuesto la bajada

acusada en la producción de biogás y en la calidad del mismo.

Estudiando los datos obtenidos, en concreto los de pH, podemos suponer

que el rango de funcionamiento de las bacterias metanogénicas, del

digestor anaerobio piloto, oscila entre los valores 7,23 y 7,80. Ya que es en

este rango donde se detectan mayores volúmenes de producción de

biogás.


90

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