BIOTECNOLOGA DE PROCESOS PARA EL AMBIENTE

Departamento de Ingeniera de Reactores

Facultad de Ingeniera

Universidad de la Repblica

Julio Herrera y Reissig 565, Montevideo, Uruguay

Tel: 2711 08 71 (ext 111) Fax: 2710 74 37

Contacto: Dra Liliana Borzacconi (e mail: lilianab@fing.edu.uy)

DIGESTIN ANAEROBIADE RESIDUOS SLIDOS

CUL ES EL DESARROLLO DE LA DIGESTIN ANAEROBIA EN EL MUNDO?

Principales aplicaciones:

Lodos de efluentes domsticos

Residuos slidos municipales

Residuos agropecuarios

Residuos industriales

Modelos de plantas comerciales de hasta 5000m3.

Plantas con generacin elctrica desde 100 a 2000 kW

Desarrollo de la capacidad instalada en Europa para residuos slidos municipales (De Baere, 2006)

Perodo Aumento de capacidad (ton/ao)

Tamao medio de las plantas

(ton/ao)

Plantas construidas en

el perodo1991-1995 33.000 12.700 13

1996-2000 186.000 21.100 44

2001-2005 428.000 42.800 52

ES UN PROCESO CATALIZADO POR MICROORGANISMOS MEDIANTE EL CUAL LA MATERIA ORGNICA COMPLEJA SE SOLUBILIZA Y SE DEGRADA EN AUSENCIA DE

O2 HASTA CH4 Y CO2 (BIOGS)

M.O. CH4 + CO2 + LODORESIDUO FRESCO COMBUSTIBLE + MEJORADOR DE SUELO

REDUCCIN DEL CONTENIDO DE MATERIA ORGNICA

EN RESIDUOS SLIDOS: 40 a 90%

OBTENCIN DE METANO: 350L POR kg DE DQO REMOVIDA

GENERALMENTE, SI NO HAY INHIBIDORES DE LA METANOGNESIS Y EL TIEMPO DE RESIDENCIA ES SUFICIENTE, LA ETAPA LIMITANTE DE LA CINTICA ES LA

HIDRLISIS

QU ES LA DIGESTIN ANAEROBIA DE RESIDUOS SLIDOS?

CINTICAS DE HIDRLISIS

Cintica de hidrlisis:

Primer ordenPavlostathis-Giraldo,1991

Superficie dependienteSanders et.al 1999

ContoisHenze et.al 1995 H

H

hX

hA

h

XSXKs

SkdtdS

AkdtdS

SkdtdS

+=

=

=

.

.

.

.

FACTORES FSICOS Y QUMICOS CLAVES EN LA DIGESTIN ANAEROBIA

Determinan:La velocidad del los procesos de degradacin El grado de estabilizacin del residuo.

1.-Naturaleza de los sustratos.2.-Balance de nutrientes.3.-Micronutrientes4.-Inhibidores.5.- pH, alcalinidad y AGV6.-O2 y potencial redox7.-Temperatura8.- Superficie de contacto

1.-Naturaleza de los sustratos:

Composicin Qumica: Carbohidratos Protenas Aceites y grasas cidos nucleicos, sales, etc.

Afecta: Cintica y rendimiento celular. Transferencia de masa (grasas) Capacidad buffer Aporte de inhibidores. Balance de nutrientes y disponibilidad de

micronutrientes. Composicin del biogs

1.-Naturaleza de los sustratos (2):

Fraccin soluble: Afecta cintica y reologa

Superficie especfica y tamao de partcula: Afecta velocidad de colonizacin y de degradacin

Estructura Qumica: Determina biodegradabilidad.Ej.: lignina en tejidos vegetales

2.-Balance de nutrientes: Requerimiento de nutrientes para sntesis celular(Relacin DQO:N:P)

Conclusin: En general no es limitante en anaerobios

DQO N P Y

Anaerobio (carbohidratos) 350 5 1 0.14-0.17

Anaerobios (cidos grasos) 1000 5 1 0.04

Aerobios 100 5-7 1 0.6

3.-Micronutrientes:

La poblacin metanognica requiere para sus enzimasvarios micronutrientes: Ni, Fe, Co

Rn(g/L)=DQO(g/L).Y(gSSV/gDQO).Cn(g/gSST).SST/SSV

Elemento Cn (g/gSST)Fe 7-28x10-4Ni 0.65-1.8x10-4Co 0.1-1.2x10-4

4.-Inhibidores:

En residuos slidos es crtico por la alta concentracin general

Definiciones

Inhibicin metablica: Es reversible porque solo inhibe el metabolismo sin daar a las bacterias.

Inhibicin fisiolgica: Es reversible pero no inmediatamente porque daa componentes celulares.

Bactericida: Es irreversible porque mata a las bacterias

%Inhibicin = 100 - Actividad sin inhibidor/Actividad con inhibidor

IC50= concentracin del inhibidor que reduce un 50% la actividad metanognica

4.-Inhibidores Orgnicos:

AGV:Producto intermedio en la degradacin.Toxicidad debida fundamentalmente a la especie no inicaLa toxicidad se incremente a bajos pH.

4.-Inhibidores Orgnicos:

AGCL: Producto de la hidrlisis de Lpidos. Se adsorben al lodo.Sinergia con AGV (refuerza Inhibicin)

Fenoles (productos de hidrlisis de lignina)

Terpenos (presentes en resinas y aceites vegetales)

Taninos (polifenoles presente en cortezas, piel de uva, aloe, entre otros)

Cloroformo (CHCl3)

Tensoactivos, biocidas

4.-Inhibidores Inorgnicos:

NH3Proveniente de la hidrlisis de protenas.

Toxicidad fundamentalmente debida a la especie no inica

La toxicidad se incremente aaltos pH altas temperaturas.

4.-Inhibidores Inorgnicos:

H2SProveniente de la reduccin de sulfato La especie ni inica es la ms inhibitoria.La toxicidad se incrementa a bajos pHAdems las sulfatoreductoras compiten con las metanognicas.

Metales Mg+2, Ca+2, K+, Na+

Al+3, Cu+1+2, Cd+2, Ni+2+3, Pb +2+4, Cr +3+6

Efecto sinrgico y antagnicoBiodisponibilidad/Toxicidad

Salinidad (deshidratacin osmtica)

5.- pH, alcalinidad y AGV

pH ptimo: 6.6-7.4Resulta de los mltiples equilibrios de cidos y bases dbiles,de la alcalinidad y acidez mineral y del equilibrio con el CO2(g)

Alcalinidad: Representa la capacidad buffer del sistema para evitar la bajada del pH por acumulacin de AGV

En residuos slidos orgnicos proviene fundamentalmente del NH3 producto de la hidrlisis de protenas.

Se almacena fundamentalmente como HCO3- y A-

NH3 + CO2 + H2O NH4+ + HCO3

-

NH3 + HA NH4+ + A-

Se mide como Carbonato de Calcio equivalente.Solo la alcalinidad debida al bicarbonato acta dentro del rangode pH ptimo.

6.-O2 y potencial redox

Las metanognicas son anaerobias estrictas y por lo tanto elpotencial redox debe estar por debajo de -400mV

En residuos slidos esto en general se da naturalmente debidoa la accin de bacterias facultativas y alta concentracin demateria orgnica.

(an en sistemas de compostaje aerobio hay nichos anaerobios donde se produce metanognesis)

7.-Temperatura

Cintica enzimtica sigue Arrenius: r = K e-E/(RT)

hasta la temperatura en que empieza desnaturalizacin

Dos rangos ptimos:

Mesoflico: 33 a 42 C

Termoflico: 55 a 65 C

7.-Temperatura

r(T) = r(To) e0.1(T-To) con T en CSafley y Westerman (1990)

y = 0,2832e0,0862x

0

2

4

6

8

10

33 34 35 36 37 38 39 40

B

i

o

g

a

s

(

L

/

d

)

Temperatura C

Efecto de la Temperatura (Reactor de 3,5L)

7.-Temperatura

Efecto de la temperatura en las constantes cinticas y en el TRH

Ej*Termfilos degradando AGV*Mesfilo (cepa pura)

Ej:*Tiempo mnimo de residenciacelular (asumiendo S>>Ks yy sin decaimiento)*Ks mesfilos degradando AGV

k en funcin de la temperatura

00,20,40,60,8

11,2

0 10 20 30 40 50 60 70 80Temperatura C

k

m

x

(

g

D

Q

O

/

g

S

S

V

/

d

)

Termoflico Mesoflico

Ks y TRCmn en funcin de la temperatura

100

170

240

310

380

450

15 18 21 24 27 30 33 36Temperatura C

K

s

(

g

D

Q

O

/

L

)

0

2

4

6

8

10

T

R

C

(

d

a

s

)

Ks TRCmn

8.- Superficie de contacto y mezcla

Si la concentracin microbiana no es limitante, la velocidad dehidrlisis est limitada por la superficie disponible.

La velocidad de degradacin es proporcional a la superficiedisponible

La superficie disponible es aquella en la que puedenadsorberse las enzimas hidrolticas.

La mezcla permite la colonizacin de todo el volumen deresiduos, reduce los gradientes de concentracin ytemperatura. El exceso de agitacin impide el sintrofismo.

AkdtdS

hA.=