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EVALUACIÓN DEL POTENCIAL ENERGÉTICO DE LAS AGUAS RESIDUALES MUNICIPALES DEL ÁREA METROPOLITANA DE BUCARAMANGA CON TRATAMIENTO PARA GENERACIÓN DE BIOGAS Y BIODIESEL MICROALGAL

MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS1

EVALUACIÓN DEL POTENCIAL ENERGÉTICO DE LAS AGUAS RESIDUALES

MUNICIPALES DEL ÁREA METROPOLITANA DE BUCARAMANGA CON

TRATAMIENTOS PARA GENERACIÓN DE BIOGÁS Y BIODIESEL

MICROALGAL

JESÚS MANUEL EPALZA CONTRERAS

UNIVERSIDAD DE SANTANDER – UDES

MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS

BUCARAMANGA – COLOMBIA

2014



EVALUACIÓN DEL POTENCIAL ENERGÉTICO DE LAS AGUAS RESIDUALES

MUNICIPALES DEL ÁREA METROPOLITANA DE BUCARAMANGA CON

TRATAMIENTO PARA GENERACIÓN DE BIOGÁS Y BIODIESEL ALGAL

JESÚS MANUEL EPALZA CONTRERAS

Proyecto de investigación para obtener el título de

MAGISTER EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS

DIRECTORA:

Msc Ing. Química YEIMMY YOLIMA PERALTA

UNIVERSIDAD DE SANTANDER – UDES

MAESTRÍA EN SISTEMAS ENERGÉTICOS AVANZADOS

BUCARAMANGA – COLOMBIA

2014



Dedicatoria

A la vida, los seres queridos y el fuerte impulso para buscar nuevas formas de

enfrentar nuestra pasajera existencia en este frágil equilibrio en el que vivimos.



Tabla de contenido

INTRODUCCIÓN ............................................................................................ 14

I. Motivación y Justificación.......................................................................... 15

II. Planteamiento del problema. ................................................................... 19

Generación de Biocombustibles. .............................................................. 19

Tratamiento de Aguas Residuales. ........................................................... 22

III. Objetivos del Proyecto. ........................................................................... 25

Objetivo general. ...................................................................................... 25

Objetivos específicos. ............................................................................... 25

IV. Estructura del Documento. ..................................................................... 26

CAPÍTULO 1 ................................................................................................... 28

1. Generalidades del Aprovechamiento Energético de Aguas Residuales .... 28

1.1 Energía de origen biológico. ............................................................... 28

1.2 Aprovechamiento energético de aguas residuales. ............................ 28

1.2.1 Digestión Anaerobia. ....................................................................... 28

1.2.2 Aprovechamiento con cultivo de microalgas. ................................... 36

1.3 Antecedentes. .................................................................................... 39

1.4 Estado actual de las aguas residuales en el Área Metropolitana de

Bucaramanga. ............................................................................................. 44

CAPÍTULO 2 ................................................................................................... 51



2. Metodología. ............................................................................................. 51

2.1 Metodología para la evaluación del potencial energético de las aguas

residuales del Área Metropolitana de Bucaramanga. ................................... 51

2.1.1 Aplicación de software. ................................................................ 52

2.1.2 Reactor Anaerobio tipo UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket).54

2.1.3 Reactor anaerobio de lodos. ........................................................ 57

2.1.4 Laguna aerobia de alta tasa. ....................................................... 58

2.1.5 Modelo anaerobio de cinética microbiana .................................... 59

2.1.6 Modelo cinético de crecimiento de la microalga. .......................... 63

2.1.7 Diseño del Sistema de tratamiento de agua residual propuesto para

las aguas del Área Metropolitana de Bucaramanga. ................................. 65

CAPÍTULO 3 ................................................................................................... 67

3. Depuración y ajuste del biogás y aprovechamiento de los lípidos de microalga.

67

3.1 Depuración del biogás. ...................................................................... 67

3.2 Aprovechamiento de lípidos microalgales. ......................................... 70

3.3 Otros aprovechamientos energéticos. ................................................ 74

CAPITULO 4 ................................................................................................... 76

4. Resultados de la evaluación del aprovechamiento energético. ................. 76

4.1 Resultados de la aplicación de los software. ...................................... 76

4.1.1 Resultados de aplicación de LabVIEW. ....................................... 76



4.1.2 Resultados de ASPEN PLUS 7.3................................................. 78

4.2 Biogás Generado. .............................................................................. 82

4.2.1 Balance de masa de la producción de biogás. ............................. 85

4.2.2 Balance de energía de la producción de biogás. ......................... 87

4.3 Lípidos de interés energético. ............................................................ 90

4.4 Modelo matemático de producción de biogás del sistema de

aprovechamiento energético. ....................................................................... 92

CAPITULO 5 ................................................................................................... 93

5. Conclusiones y Recomendaciones. .......................................................... 93

5.1 Conclusiones. .................................................................................... 93

5.2 Recomendaciones. ............................................................................ 95

Bibliografía. ..................................................................................................... 96



Lista de tablas

Tabla 1: Posibilidades de explotación de biodesechos ................................. 17

Tabla 2: Capacidad de producción de biodiesel con diferentes materias primas19

Tabla 3: Municipios con limitaciones hídricas .................................................. 23

Tabla 4: Estándar del biogás generado en algunos países europeos ............. 33

Tabla 5: Procesos de depuración de biogás ................................................... 34

Tabla 6: Clasificación de microalgas ............................................................... 36

Tabla 7: Perspectivas a 2030 de la energía primaria de acuerdo con el IPCC 38

Tabla 8: Valores de caudales y cargas de contaminantes en Bucaramanga,

Floridablanca y Girón ...................................................................................... 49

Tabla 9: Geometría de los desarenadores .......... ¡Error! Marcador no definido.

Tabla 10: Parámetros cinéticos y estequiométricos característicos de diferentes

especies y grupos tróficos en procesos de digestión anaerobia¡Error! Marcador

no definido.

Tabla 11: Parámetros de diseño y operación seleccionados para el

dimensionamiento del biorreactor UASB ............. ¡Error! Marcador no definido.

Tabla 12: Tiempos de Retención Hidráulico para UASB¡Error! Marcador no

definido.

Tabla 13: Métodos de disrupción celular tradicionales .................................... 73

Tabla 14: Balance de 100 kg de DQO procesado por digestión anaerobia. .... 80

Tabla 15: Resultados de la simulación con la integración de la línea de lodos. 83

Tabla 16: producción de biogás del sistema de tratamiento de 1 m3/s ............ 84



Tabla 17: producción de biogás del sistema de tratamiento de con toda la carga

del área metropolitana .................................................................................... 85

Tabla 18: Balance de masa anual del sistema de tratamiento de agua residual.86

Tabla 19: Proyección de la producción energética asociada al consumo del biogás.

........................................................................................................................ 88

Tabla 20: Consumos energéticos del sistema de tratamiento. ........................ 89

Tabla 21: Balance energético .......................................................................... 90

Tabla 22: Producción aproximada de biodiesel ............................................... 91



Lista de Figuras

Figura1: Rendimientos de producción de biogás, con diferentesmaterias primas. .. 18

Figura 2: Consumo de biocombustibles en Colombia. .................................................. 20

Figura 3: Evolución del CO2 en el último milenio .......................................................... 24

Figura 4: Posibilidades de conversión energética de las microalgas para generación de

energía por vía biológica y termoquímica. ..................................................................... 37

Figura 5: Consumo de gas natural en Colombia ........................................................... 40

Figura 6: Corrientes receptoras de la meseta de Bucaramanga, Floridablanca y Girón47

Figura 7: Tecnologías para tratamiento anaerobio de aguas y lodos ........................... 54

Figura 8: Esquema del funcionamiento de un reactor UASB. ....................................... 55

Figura 9: Laguna de alta tasa ........................................................................................ 58

Figura 10: Diagrama de flujo del modelo de cultivo microalgal en agua residual municipal

........................................................................................................................................ 65

Figura 11: Disposición de las lagunas de alta tasa. ........ ¡Error! Marcador no definido.

Figura 12: Depuración del biogás. ................................................................................. 69

Figura 13: Sistema de tratamiento de agua residual ..................................................... 77

Figura 14: Corriente de tratamiento de agua y salidas de biogás. ................................ 78

Figura 15: Esquema del sistema de aprovechamiento energético de las aguas residuales

........................................................................................................................................ 81



Lista de Ecuaciones

Ecuación 1 𝐃 = µ ................................................................................................. 56

Ecuación 2 𝛍 = 𝛍𝐦𝐚𝐱 ∗ 𝐒𝐒 + 𝐊𝐬 ........................................................................... 60

Ecuación 3 𝛄𝐬 = 𝟏𝐘𝐱𝐬 ∗ 𝛄𝐱 ................................................................................... 61

Ecuación 4 𝛄𝐱 = 𝛍 ∗ 𝐱 .......................................................................................... 61

Ecuación 5 𝐘𝐱𝐬 = −𝐗 − 𝐗𝐨𝐒 − 𝐒𝐨 ........................................................................ 61

Ecuación 6 𝐈𝐜 = 𝟏 + 𝟐, 𝟏𝟎, 𝟓𝐩𝐇𝐋𝐋 − 𝐩𝐇𝐔𝐋𝟏 + 𝟏𝟎𝐩𝐇 − 𝐩𝐇𝐔𝐋 + 𝟏𝟎𝐩𝐇𝐋𝐋 − 𝐩𝐇 .... 62

Ecuación 7 𝐈𝐧𝐜 = 𝟏𝟏 + 𝐒𝐢𝐊𝐢 ................................................................................. 62

Ecuación 8 𝐂𝐧𝐇𝐚𝐧𝐎𝐛𝐍𝐳𝐒𝐱 + 𝐇𝟐𝐎 = 𝐝𝐂𝐎𝟐 + 𝐞𝐂𝐇𝟒 + 𝐟𝐇𝟐𝐒 + 𝐠𝐍𝐇𝟑 .................. 92

Ecuación 9 𝐦(𝐂𝐧𝐇𝐚𝐧𝐎𝐛𝐍𝐳𝐒𝐱) + 𝐦𝐇𝟐 𝐎 = 𝒎𝑪𝑯𝟏, 𝟕𝑶𝟎, 𝟓 𝑵𝟎, 𝟐 + 𝒎𝑪𝑶𝟐 +

𝑪𝑯𝟒 + 𝑯𝟐𝑺 + 𝑵𝑯𝟑𝑼𝑨𝑺𝑩 + 𝒎𝑪𝑶𝟐 + 𝑪𝑯𝟒 + 𝑯𝟐𝑺 + 𝑵𝑯𝟑𝑹 − 𝒍𝒐𝒅𝒐𝒔 +

𝑫𝑸𝑶 𝒏𝒐 𝒅𝒊𝒈𝒆𝒓𝒊𝒃𝒍𝒆 .............................................................................................. 92



Abreviaturas

Ácidos Grasos Volátiles AGV

Anaerobic Digestion Model 1 ADM 1

Área Metropolitana de Bucaramanga AMB

Demanda Química de Oxígeno DQO

Demanda Biológica de Oxígeno DBO

Digestión Anaerobia D.A.

Empresa Publica de Alcantarillado de Santander S.A EMPAS

Intergovernmental Panel on Climate Change IPCC

Organismos Acetógenos Productores Obligados de Hidrógeno OHPA

Organización Latinoamericana de Energía OLADE

Planta de Tratamiento de Aguas Residuales PTAR

Unidad de Planeación Minero Energética UPME

Upflow Anaerobic Sludge Blanket UASB

United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization UNESCO

Tiempo de Retención Hidráulica TRH



RESUMEN

Las necesidades energéticas de un país en desarrollo son crecientes, pero las

alternativas tecnológicas que pueden cubrir la demanda son limitadas debido a

que el desarrollo tecnológico depende de circunstancias económicas,

comportamientos de mercado y posicionamiento de cada forma de negocio

energético.

En Colombia predominan las tecnologías basadas en los recursos fósiles, pues el

país tiene la reserva sufuciente para ser autosuficiente en la demanda de carbón,

petróleo y gas natural, haciendo énfasis en que es un exportador de estas

materias primas; con un panorama muy estable en carbón, pero en lo referente a

petróleo y gas las reservas no tienen tiempos superiores a 10 años, para cubrir la

demanda interna y la exportación. Por esta razón se plantea explorar una fuente

alternativa a la convencional, con el aprovechamiento de las aguas residuales

municipales, que han sido un problema pendiente en el marco del saneamiento

básico en todo el país.

La evaluación energética planteada en este estudio parte del diseño básico de un

sistema de tratamiento de agua residual, el cual ya está probado para la

depuración del agua, pero con unas de operaciones adicionales, que pueden

llevar a aprovechar los efluentes municipales en la producción de biogás y

biodiesel de origen microalgal, es importante tener en cuenta que la tecnología

planteada ya se encuentra en funcionamiento en varias partes del mundo, y se

requiere la implementación completa y un estudio detallado de las condiciones del

agua en cada caso, para proyectar su posible aprovecahmiento energético, junto

con un beneficio ambiental directo, como lo es el vertimiento de agua residual

tratada en condiciones que impacten de forma mínima al medio natural. Estas

premisas guian a este proyecto, en la búsqueda de aprovechar un problema

nacional y poder plantear una solución a una doble problemática, la energética y la

ambiental



ABSTRACT

The energy needs of a developing country are growing, but the technological

alternatives that can meet demand is limited due to technological development

depends on economic circumstances, market behavior and positioning of each

form of energy business.

In Colombia predominate technologies based on fossil fuels, as the country has the

sufuciente reserve for self-sufficiency in demand for coal, oil and natural gas,

emphasizing that this is an exporter of raw materials, with a stable outlook on coal,

but in terms of oil and gas reserves no longer than 10 years time, to meet domestic

demand and export. Thus arises explore an alternative to the conventional source,

the use of municipal wastewater, which has been an outstanding problem in the

framework of basic sanitation in the country.

The energy evaluation presented in this study of the basic design of a system for

wastewater treatment, which is already used for water purification, but with

additional operations, which can lead to take advantage of municipal effluent in the

production of biogas and biodiesel from microalgal origin is important to note that

technology posed already in operation in various parts of the world, and full

implementation and a detailed study of water conditions in each case is required to

project possible energy, along with aprovecahmiento a direct environmental

benefit, such as the dumping of treated wastewater under conditions that minimally

impact the environment. These assumptions guide this project, seeking to exploit a

national problem and to propose a solution to two problems: energy and

environmental



INTRODUCCIÓN

Las necesidades energéticas de un país en vías de desarrollo son de orden

ascendente, especialmente cuando el crecimiento demográfico del mismo es

positivo y adicionalmente las actividades económicas van apalancando el

consumo de todas las formas de energía final de una sociedad moderna.

La planeación energética de Colombia cuenta con múltiples recursos,

principalmente hace énfasis en los de tipo no renovable, por ser los más

comerciales y los que representan un rubro importante en los ingresos brutos del

país; Sin embargo se cuenta con los recursos energéticos renovables, que no

están cuantificados monetariamente, y no se tiene en cuenta la posibilidad de

utilizar los residuos de una ciudad, como un componente importante de la

planeación energética, o como parte de los recursos a explotar.

Los residuos de las ciudades poseen un valor en sí mismos, y si no son

aprovechados, se transforman en problemas ambientales severos, como los que

se presentan actualmente en la mayoría de las ciudades de mediano y gran

tamaño en nuestro país, es por esto que la propuesta de valorar el potencial

energético de los residuos, en este caso los líquidos cobra una importancia, pues

el aprovechamiento de todo residuo, va a generar la minimización del impacto

ambiental de las actividades humanas, y puede llegar a tener un valor monetario,

cuando son potenciales productores de otro insumo importante para la sociedad,

como lo es la energía, en alguna de sus formas, tanto la energía primaria como la

energía de uso.

El presente proyecto evalúa la capacidad de producción de energía de los

residuos líquidos producidos en el Área Metropolitana de Bucaramanga, para

establecer el posible aprovechamiento por los habitantes de la misma en el largo

plazo; haciendo énfasis en la utilización de procesos biológicos para la producción

de dos tipos de combustibles utilizados habitualmente en nuestras actividades,

como es el caso del biogás y del biodiesel.



El proyecto se enfoca en la producción de biogás con características de

aprovechamiento doméstico o industrial, mediante la utilización de reactores

anaerobios, uno para el agua residual y otro de lodos; y en la producción de

biodiesel proveniente de biomasa microalgal haciendo uso de una laguna de alta

tasa que se abastezca del agua efluente del reactor anaerobio de las aguas

residuales. El primero ya es utilizado en el tratamiento del agua residual doméstica

de los municipios del área metropolitana, y este tipo de tratamiento se ve

beneficiado por la actividad de los microorganismos anaerobios y del cultivo de

microalgas, retirando del agua la mayor cantidad de contaminantes y a su vez

transformando estos en productos aprovechables para la ciudad.

De esta manera se explora la probabilidad de adicionar en la planeación

energética de las regiones, el aprovechamiento de los residuos líquidos, sirviendo

para un doble propósito, el tratamiento biológico de las aguas residuales y la

generación de biocombustibles.

La propuesta persigue la solución de 2 problemas que son complementarios, y sus

soluciones igualmente cercanas.

I. Motivación y Justificación.

La búsqueda de nuevas materias primas para el cubrimiento de una parte de las

necesidades energéticas es la primera motivación de este proyecto de grado;

además la motivación de promover el tratamiento de los residuos líquidos como

parte de una solución integral de las aguas residuales municipales de Colombia, y

la convicción de que es posible incrementar las alternativas de tratamiento de

efluentes, para así disminuir las cantidades de contaminantes liberados a las

aguas con impactos ambientales agudos y crónicos en casi toda la geografía

nacional.

El Área Metropolitana de Bucaramanga es una región a la cual es aplicable este

estudio, debido a que es una región afectada por el mal manejo de los residuos

líquidos, y con aportes de contaminantes calculados en 57,67 toneladas de la



Demanda Química de Oxígeno (DQO) diarias (EMPAS - Empresa Publica de

Alcantarillado de Santander S.A. E.S.P., 2007), que afectan significativamente la

calidad del agua de algunas las cuencas del Área Metropolitana, conformada por

los municipios de Bucaramanga, Floridablanca, Girón y Piedecuesta.

Es importante definir que la región correspondiente al Área Metropolitana de

Bucaramanga cuenta con dos sistemas de tratamiento de agua residual de alto

caudal, uno es la Planta de Tratamiento de Agua Residual de Río Frío, la cual

presenta problemas con respecto a olores ofensivos y otras complicaciones

operativas.

La planta de Río Frío trata el 90% de las aguas del municipio de Floridablanca y el

11% de las aguas residuales de Bucaramanga, con un caudal de diseño inicial de

0,7 m3/s, con una proyección a tratar 2 m3/s, el cubrimiento final equivalente a

600.000 habitantes para el fin de las obras de ampliación (EMPAS - Empresa

Publica de Alcantarillado de Santander S.A. E.S.P., 2007) es importante destacar

que esta Planta de Tratamiento de Aguas Residuales (PTAR) posee un sistema

UASB que se encuentra funcional, y productor de biogás.

La otra PTAR del Área Metropolitana es la del municipio de Piedecuesta que

proyecta tratar el 100% de las aguas residuales del área urbana del municipio,

siendo este último el sector del área metropolitana que crece con mayor vigor en

población y construcción de vivienda.

La necesidad de buscar procesos que transformen las aguas residuales

municipales en sustancias de interés energético es del campo del tratamiento

biológico de efluentes, y este proyecto busca una cuantificación de la capacidad

de producción de sustancias energéticas del agua residual.

Las condiciones del Área Metropolitana de Bucaramanga para el aprovechamiento

energético se consideran buenas, debido a su temperatura promedio de 24ºC, con

bajas fluctuaciones de temperatura, y con una radiación solar de 1346 horas

anuales, esto posibilita condiciones estables para el cultivo de microorganismos



anaerobios y para el cultivo de microalgas, microorganismos que pueden proveer

de materias primas para usos energéticos.

La generación de alternativas en biocombustibles es una de las estrategias, para

enfrentar la demanda de energía para el sector transporte doméstico e industrial.

De otra parte se tiene el problema de la depuración de los residuos líquidos y

sólidos; este problema puede tener como solución, nueva alternativas de

tecnología de tratamiento y de financiación de proyectos, cuando no sean

impulsadas únicamente por una normativa ambiental, sino que se pueda de

implementar una nueva actividad económica lucrativa. En este caso se abordará el

problema de la contaminación orgánica no solamente como un problema

ambiental, sino también se tratará como una posible industria energética.

Otra motivación para proponer este uso de las aguas residuales municipales para

generación de biogás se basa en la tabla 1 que muestra los diferentes usos de las

aguas residuales y sólo pueden tener un aprovechamiento, mediante la

fermentación, en digestión anaerobica que transforma la carga orgánica en biogás,

junto a ellas se encuentran igualmente los desechos de ganado y otros residuos

de diferentes industrias (Deublein, 2008).

Tabla 1: Posibilidades de explotación de biodesechos

No aplica (-), Opción (o). Aplicación (+)

Fuente: Biogás de Residuos y Recursos Renovables 2008

Residuos Alimentación Combustión Compostaje Digestión

Estiercol licuado O +

Lodo de aguas residuales O O

Biodesechos O +

Residuos de poda de cesped O + +

Agua residual industrial y

otras contaminadas+ O +

Gesiduos grasosos +

Residuos de mataderos +

Madera + +

Excrementos + +

Paja O + + O



Figura1: Rendimientos de producción de biogás, con diferentes materias

primas.

Fuente: Tomado de Biogás de Residuos y Recursos Renovables 2008 (Deublein,

2008)

La anterior figura muestra el rendimiento de producción de biogás, de acuerdo con

la fuente usada; así se observa que las aguas residuales pueden generar 935

millones de metros cúbicos de gas por año, si son tratadas con digestión

anaerobia en condiciones controladas y usadas correctamente. Esto demanda una

limpieza del gas y otras operaciones que puedan llevarlo a condiciones de gas

pobre para su uso energético. Los datos de estas tablas promueven la idea de un

desarrollo profundo en el aprovechamiento de los recursos renovables, y más

especialmente tratándose de residuos líquidos, que son producidos con una

frecuencia conocida, y están íntimamente ligados a la formación de ciudades

modernas.

La segunda parte del proyecto se motivó por los resultados obtenidos con los

ensayos de crecimiento algal, con fines de explotación de ácidos grasos; en este

sentido la tabla 4 ilustra sobre la capacidad de producción de las algas, con



respecto al biodiesel, en litros por hectárea por año. Para las algas (Schenk,

2008)se evidencia una mayor capacidad de producción y una independencia de la

fertilidad del suelo.

Tabla 2: Capacidad de producción de biodiesel con diferentes materias

primas

Fuente: (Woertz, 2009)

De la misma manera que se observa la capacidad de producción de las algas se

han realizado varios estudios sobre la capacidad de producción de lípidos por

parte de diferentes especies de microalgas.

II. Planteamiento del problema

El desarrollo del problema planteado del presente trabajo, se desagrega en dos

problemas definidos, uno energético y el otro de orden medioambiental; es así

como se plantea en 2 numerales.

Generación de Biocombustibles

El consumo de biocombustibles para el transporte y el uso doméstico e industrial

en una necesidad manifiesta en Colombia, respondiendo a este escenario las

políticas energéticas se basan en el suministro energético de origen fósil, y en la



última década se ha fortalecido con el uso de biocombustibles de primera

generación, es la particularidad del caso colombiano (UPME Unidad de

Planeación Minero Energética, 2010).

El consumo de biocombustibles ha crecido significativamente en la última década,

como lo muestra la gráfica 1, iniciando con el alcohol carburante para el año 2005

y complementando con el biodiesel en el año 2008.

Figura 2: Consumo de biocombustibles en Colombia.

Fuente: Ecopetrol y UPME (Unidad de Planeación Minero Energética UPME,

2010)

La generación de biocombustibles en la actualidad se realiza a base del cultivo de

caña de azúcar (Saccharum officinarum), para el caso del alcohol carburante; y el

biodiesel se deriva del cultivo de la palma africana (Elais guineensis); estos

cultivos energéticos se han posicionado como rentables agro negocios y son

complementarios a la política energética de combustibles. Así mismo el gas

natural fósil es el que surte la demanda doméstica e industrial de las necesidades

de calor para cocinas y calderas en muchas partes de nuestro país que tienen

acceso a la red de gasoductos y otras formas de transporte de este combustible.



Así como el consumo de biocombustibles a nivel nacional tiene un ascenso, los

precios de estos se comportan de acuerdo con su demanda y con las políticas

establecidas en los planes de desarrollo de la agroindustria nacional, que a su vez

son ventajosas para la producción de alcohol y biodiesel.

En el caso particular del gas natural se presenta una reserva probada con un

horizonte de explotación por los próximos 6 años, si no hay nuevos hallazgos que

fortalezcan la reserva para el consumo nacional, estos precios son asequibles,

pero no se garantizan si es necesario importar gas en el mediano plazo (Unidad

de Planeación Minero Energética UPME, 2010).

Un inconveniente marcado del uso de biocombustibles es que la sostenibilidad en

la producción, debido a que dependen directamente del análisis de ciclo de vida

(LCA) particular en cada región, (Silva Lora. E, 2010), y no siempre son un

beneficio ambiental debido a que el desarrollo de estos cultivos energéticos,

pueden ser viables económicamente, pero no suministran mejoras ambientales al

ambiente. Adicionalmente los rendimientos y los tiempos de cosecha de los

biocombustibles se establecen en tiempos de espera del crecimiento de los

cultivos para su producción, y en el caso específico de la Elais guineensis, puede

ser de hasta 3 años para producir la primera cosecha de fruto, para la extracción

del biodiesel (Federación Nacional de Biocombustibles , 2012).

La sostenibilidad de los cultivos energéticos actuales depende directamente de su

desarrollo agrícola y establece el uso de tierras de cultivo de buena fertilidad,

acompañado de un consumo significativo de agua. En todas las etapas de

producción, provoca en algunos casos el desvío del recurso hídrico hacia la

producción agrícola, presionando así la disponibilidad del recurso para otros usos;

Parte de esta problemática se presenta por no tener un tratamiento de las aguas

servidas, que llegan a ser vertidas en cuerpos de agua superficiales que la

transforman en cloacas no disponibles para ningún uso humano. En la tabla 3

muestra los municipios del país que presentan limitaciones hídricas (Defensoría

del Pueblo, 2009).



Tratamiento de Aguas Residuales

El tratamiento de las aguas residuales es una necesidad manifiesta en todos los

departamentos de Colombia, debido a que solamente el 40% de los municipios

cuentan con un sistema de tratamiento de agua residual, los cuales presentan

dificultades de tratamiento, y su eficiencia es muy baja (Grupo sectorial dirección

técnica de acueducto y alcantarillado.Superintendencia delegada para acueducto,

alcantarillado y aseo , 2012). La implementación de estos tratamientos ha tenido

inconvenientes de toda índole, y dentro de estos se presenta la construcción de

sistemas de tratamiento costosos, con gastos operativos altos, como ejemplo se

cita la Planta de Tratamiento de Agua Residual (PTAR) del Salitre en Bogotá, que

se presenta altamente inviable para la ciudad (Contraloría Distrital de Bogotá,

2009), debido al tipo de sistema de tratamiento físico que realiza, con un digestor

de lodos que produce una fracción del biogás que puede ser producido, sin un

destino de aprovechamiento real.

La energía y el agua son dos recursos de mucha importancia para el desarrollo de

todos los países, y su deterioro, mala gestión y deficiente aprovechamiento, unido

a tecnologías costosas que incluyen una dependencia tecnológica foránea muy

marcada, hacen difícil la integración de los sistemas energético y de saneamiento

básico, sin embargo estos sectores que proporcionan el bienestar y el confort de

los ciudadanos, pero se presentan como dos problemas con alta capacidad de

afectar negativamente la salud, el bienestar y la disponibilidad de los recursos

naturales para las generaciones futuras. La disponibilidad de aguas residuales

como materia prima no se ha considerado en el contexto de gestión de los

residuos líquidos, y en especial las aguas residuales municipales que son las que

tienen menos sistemas de tratamiento en el país.

La falta de tratamiento de las aguas residuales genera limitaciones en la oferta

ambiental de este recurso; en la tabla 3 se relaciona a los municipios que

evidencian una limitación en la oferta del recurso. Allí donde se particulariza a

varios de la cuenca del Magdalena, y especialmente los que dependen del rio

Bogotá, pues la oferta del recurso aguas abajo del distrito capital no es posible.



Esto se debe especialmente a los niveles de contaminación del rio. El IDEAM

presenta a los municipios de acuerdo con su oferta, y ésta a su vez depende de la

calidad de agua afluente.

Las limitaciones hídricas pueden verse afectadas por los fenómenos climáticos,

tales como la variabilidad climática, el cambio climático, y efectos de las

actividades humanas en el microclima de cada región. Estas presiones sobre la

oferta hídrica sumados a la contaminación del recurso disponible aumentan la

limitación de este importante recurso.

Tabla 3: Municipios con limitaciones hídricas

Fuente: IDEAM 2008

Los contaminantes de las fuentes de agua aceleran los problemas referentes al

calentamiento global, pues las aguas residuales son generadoras de gases de

efecto invernadero.



Otro aspecto que presenta un problema es el cambio climático debido al

forzamiento externo, o cambios antropogénicos persistentes en la composición de

la atmósfera o en el uso de las tierras. Se debe tener en cuenta que la Convención

Marco de las Naciones Unidas sobre el Cambio Climático (CMCC), en su Artículo

1, define ‘cambio climático’ como: “un cambio de clima atribuido directa o

indirectamente a la actividad humana que altera la composición de la atmósfera

mundial y que se suma a la variabilidad natural del clima observada durante

períodos de tiempo comparables”. La CMCC distingue entre ‘cambio climático’

atribuido a actividades humanas que alteran la composición atmosférica y

‘variabilidad climática’ atribuida a causas naturales”.

Figura 3: Evolución del CO2 en el último milenio.

Fuente: Biodiversidad, Y. (n.d.). Y BIODIVERSIDAD Documento técnico V del

IPCC.



En la anterior gráfica se evidencia el aumento de la energía incidente en el planeta

en los últimos 200 años, y su crecimiento con respecto a las concentraciones de

CO2 en la atmósfera;. Estos son considerados efectos adversos al ambiente

desencadenados por el uso indiscriminado de combustibles fósiles, debido a que

el carbono que estos contienen se encuentra fuera del inventario troposférico del

carbono, en la actualidad, es decir, es carbono que tiene la capacidad de alterar

sistemas bióticos en nuestro planeta, pues el ciclo del carbono actual, se mueve

en razón de la concentración del carbono que se mueve desde la atmósfera hacia

los seres vivos y de estos hacia la atmósfera (IPCC, 2008). Este cambio abrupto,

ha demostrado tener un efecto en la segunda mitad del siglo XX y presenta un

peligro para el clima mundial en el mediano y largo plazo, según lo proyecta el

IPCC.

III. Objetivos del Proyecto.

Objetivo general.

Realizar la evaluación del potencial energético de las aguas residuales

municipales del Área Metropolitana de Bucaramanga (AMB), para su

transformación en biogás y biodiesel microalgal.

Objetivos específicos.

Establecer los tratamientos de agua residual municipal adecuados para la

producción de biogás y biodiesel microalgal.

Determinar los potenciales de generación de biogás de las aguas

residuales, municipales del Área Metropolitana de Bucaramanga, mediante

digestión anaerobia.

Establecer las condiciones de operación de una laguna para la producción

de microalgas en la AMB.

Determinar la potencialidad de la producción de biodiesel proveniente del

cultivo de microalgas, utilizando el efluente de un biorreactor anaerobio.



Determinar el potencial energético combinado del biogás producido y el

biodiesel microalgal, en términos de productos para uso industrial o

doméstico.

IV. Estructura del Documento.

El documento derivado del proyecto de grado se estructura en 5 capítulos, en los

cuales se describe todo el devenir del tema tratado.

Capítulo 1: En este capítulo se describen el estado del arte sobre el

aprovechamiento energético de los residuos líquidos, las ventajas de su

implementación, en una ciudad de mediano tamaño en las condiciones tropicales

propias de la región del Área Metropolitana de Bucaramanga y la situación actual

del tratamiento de aguas residuales.

Capítulo 2: Esta parte del documento establece la metodología usada para la

determinación del potencial energético de las aguas residuales municipales en el

entorno determinado del proyecto, junto con el establecimiento de los modelos

matemáticos de comportamiento cinético de los microorganismos asociados a la

Digestión Anaerobia (DA), y el modelo de crecimiento del cultivo microalgal, con

fines de aprovechamiento en biodiesel, adicionalmente se establece el sistema de

tratamiento de aguas residuales que pueden favorecer el proceso de producción

de metano y biodiesel a partir del afluente integrado del Área Metropolitana de

Bucaramanga.

Capítulo 3: En este capítulo de determinan los procesos de acondicionamiento del

biogás y la biomasa microalgal, para ser transformadas en biocombustibles de uso

final, como biogás y biodiesel de consumo.

Capítulo 4: Este capítulo muestra los resultados de los modelos propuestos, con

sus posibles rendimientos en una interfase gráfica en el software LabVIEW, con

las operaciones de tratamiento, y la modelación matemática en el software ASPEN

PLUS 7.3.



Capítulo 5: Este capítulo muestra las conclusiones del trabajo en todas sus fases

y objetivos desarrollados.



CAPÍTULO 1

1. Generalidades del Aprovechamiento Energético de Aguas Residuales

1.1 Energía de origen biológico.

La energía en las sociedades modernas determina la calidad de vida de los

individuos que pueden disfrutarla, para transferir a los sistemas electromecánicos

las labores penosas que requieren un gran cantidad de trabajo para ser llevadas a

cabo, para esto es que usamos principalmente la energía, y los sistemas

energéticos se establecen con el fin de proveer a los habitantes de una región

todas las formas de energía disponibles, para el desarrollo de las actividades

asociadas a las poblaciones que propenden por el desarrollo económico.

Los recursos energéticos de un país se cuentan en términos de recursos de

energía primaria, consistente en las materias primas que pueden ser

transformadas en energía secundaria o de uso final, para sistemas ya sean

eléctricos o que funcionan a partir de sustancias energéticas que pueden liberar su

energía química en forma de explosiones, que son traducidas a energía mecánica

y trabajo.

Los recursos energéticos asociados a organismos biológicos se fundamentan

básicamente en la capacidad de retener energía en forma de enlaces químicos,

dentro de moléculas, que generalmente son producto del metabolismo celular.

1.2 Aprovechamiento energético de aguas residuales.

Las aguas residuales son una materia compleja, que está definida por el uso que

se hace de agua potable, para servir a poblaciones humanas en actividades

domésticas, comerciales, industriales, turísticas y muchas otras asociadas con la

actividad en una sociedad de consumo del siglo XXI.

1.2.1 Digestión Anaerobia.

El aprovechamiento de los residuos se ha estudiado durante el siglo XX y se ha

continuado en el XXI, pero el aprovechamiento de los residuos en el sector



energético se ha aplicado con éxito, sólo en los residuos sólidos, los cuales se han

usado para la combustión, la pirolisis o la gasificación y su aprovechamiento

depende directamente de la capacidad económica de cada sociedad para su

consumo.

En el campo de los residuos líquidos, estos han usado como parte de fertilizantes,

en los casos que no revisten peligrosidad para la salud y el medio ambiente; pero

sólo hasta la década de los 80`s se empezaron a conocer los procesos que

generaban gases en las agua residuales, y se comenzará el estudio de la

Digestión Anaerobia.

Los microorganismos involucrados en la digestión anaerobia son de diferentes

grupos y especies, para tener una mejor visión acerca de los microorganismos

participantes de este proceso, se presentan los diferentes grupos de

microorganismos, y los principales géneros y especies dentro de cada categoría.

Microorganismos Hidrolíticos.

Los microorganismos que llevan a cabo las reacciones de hidrólisis y acidogénesis

son anaerobias facultativas y los géneros más frecuentes que participan son los

miembros de la familia Enterobacteriaceae, además los géneros Bacillus sp,

Peptostreptococcus sp, Propionibacterium sp, Bacteroides sp, Micrococcus sp y

Clostridium sp. Dentro de los microorganismos proteolíticos se encuentran

especies de los géneros Clostridium sp, Peptococcus sp, Bifidobacterium sp y

Staphylococcus sp. Bacterias como Anaerovibrio lipolytica con actividad lipolítica

han sido aisladas del rumen; y de la misma manera se ha hecho con Butyrovibrio

fibrisolvens que hidroliza los fosfolípidos cuando crece con azúcares fermentables

como fuente de carbono.

Es importante resaltar la participación de varias especies de hongos facultativos y

de levaduras que participan en la hidrólisis, pero no se encuentran en la misma

cantidad que los géneros de bacterias mencionadas.



Microorganismos Acidogénicos.

Los microorganismos Acidogénicos producen cantidades de H2 formato y acetato

y estos a su vez acidifican los digestores anaeróbicos. Son bacterias que oxidan

compuestos que son productos de las reacciones anteriores. Las sustancias que

producen son etanol, propionato, butirato, benzoato, acetato (Díaz Baez, 2000).

Microorganismos Acetogénicos.

La eficiencia de la metanogénesis depende de los productos de fermentación

como el propionato, el butirato y deben ser oxidados a acetato, CO2 y H2, esta

oxidación es llevada a cabo por un grupo denominado “organismos acetógenos

productores obligados de hidrógeno (OHPA)” (Rodriguez, 2008), mediante un

proceso conocido como acetogénesis. Aunque la mayoría de este tipo de

reacciones consume energía, en ambientes anaerobios donde la energía

disponible es baja, el acoplamiento de la actividad de las bacterias OHPA con las

bacterias consumidoras de H2 (metanógenos hidrogenofilicos) permite un balance

energético favorable.

Este último grupo, consume el hidrogeno generado por las OHPA manteniendo

una presión parcial de H2 a un nivel adecuado para que termodinámicamente

pueda darse la conversión de los ácidos grasos volátiles (AGV) a acetato e

hidrógeno. Esta asociación se conoce como “relación sintrófica” o “transferencia

interespecífica de hidrógeno”. Solamente un limitado número de especies del

grupo OHPA han sido aisladas; probablemente existan más, pero aún no son

conocidas. Dentro de las especies aisladas se pueden mencionar,

Syntrophomonas sapovorans, Syntrophobacter wolinii, Syntromonas wolfei,

Syntrophospara bryantii, Syntrophus buswellii

En el grupo de bacterias acetogénicas se reconoce un grupo de bacterias

conocidas como “bacterias homoacetogénicas” las cuales son anaerobias

obligadas y utilizan el CO2, como aceptor final de electrones, produciendo acetato

como producto único de la fermentación anaerobia. Aunque este grupo no es un



grupo taxonómico definido, en él se incluye una variedad de bacterias Gram (+) y

Gram (-) formadoras de esporas como: Clostridium aceticum, Clostridium

formicoaceticum y Acetobacterium wooddi

Microorganismos Metanogénicos.

Las bacterias metanogénicas pertenecen al grupo actualmente conocido como

Archeaea, cuyos miembros presentan características diferentes a las encontradas

en Bacteria. Estas características están relacionadas fundamentalmente con la

composición química de algunas estructuras celulares.

Las bacterias metanogénicas son anaerobias estrictas y producen metano como

principal producto del metabolismo energético. A pesar de los requerimientos

estrictos de anaerobiosis obligada y el metabolismo especializado de este grupo,

estas bacterias se encuentran ampliamente distribuidas en la naturaleza. La

actividad metanogénica es mucho mayor en ecosistemas de aguas dulces y

terrestres, la menor actividad detectada en océanos, se debe a la alta

concentración de sulfatos, condición que favorece la sulfato reducción en

sedimentos marinos (Zinder, 1998)

Con base en el tipo de sustrato utilizado, las bacterias metanogénicas se

subdividen en tres grupos:

Grupo 1: utiliza como fuente de energía H2, ión formato y ciertos alcoholes, el

CO2 es el aceptor final de electrones el cual es reducido a metano;

Grupo 2: utiliza una amplia variedad de compuestos que tienen el grupo metilo.

Algunas de las moléculas son oxidadas a CO2, el cual actúa con aceptor final de

electrones y se reduce directamente a metano;

Grupo 3: aunque la mayor parte del metano que se genera en la naturaleza

proviene del rompimiento del acetato, la habilidad de catabolizar este sustrato está

limitada a los géneros: Methanosarcina sp y Methanosaeta sp (Methanotrix sp). Es

frecuente encontrar en reactores anaerobios, una competencia por el acetato entre



estos dos géneros, sin embargo, las bajas concentraciones de acetato que

usualmente predominan al interior de los reactores favorece el crecimiento de las

Methanosaeta sp (Díaz Baez, 2000)

El control del proceso de digestión anaerobio en aguas residuales puede llevar a

una calidad de biogás que lo produzca hasta un 70% volumen a volumen, y luego

se lleva a la purificación.

El conocimiento de la digestión anaerobia, provee de nuevas herramientas

tecnológicas a la ingeniería y se empiezan a llevar a cabo grandes estudios, para

la normalización de los reactores capaces de generar biogás con características

aprovechables; es así como en los últimos años se puede determinar que se

puede usar el biogás purificado como un gas “pobre”, el cual tiene usos

energéticos, principalmente para uso industrial y doméstico.

En la tabla 4 se puede observar las características que debe tener el biogás para

ser usado como combustible en algunos países europeos; es importante anotar

que estas características se logran con sistemas de purificación (Naja, 2011).

Las explotaciones intensivas de este recurso no se han llevado a niveles de

aprovechamiento masivo, pero si tiene un potencial no cuantificado con su

mejoramiento y con la optimización de los reactores anaeróbicos.



Tabla 4: Estándar del biogás generado en algunos países europeos

Fuente: Tomado de Naja et al-2011



Tabla 5: Procesos de depuración de biogás

Fuente: Naja et al-2011

Las operaciones de purificación más usadas se muestran en la tabla 5, en donde

se definen la eliminación de la humedad, para permitir la ignición del metano; la

eliminación del ácido sulfhídrico, para bajar la capacidad corrosiva del gas y por

último se considera la eliminación del CO2, para mejorar la capacidad calorífica del

gas (Naja, 2011).

En el terreno tropical se cuentan con condiciones de regularidad, donde la

fluctuación de temperaturas no excede cambios mayores a 10ºC, lo que afecta

moderadamente la producción de biogás.

La digestión anaerobia se ha probado en Japón como mecanismo para tratar los

lodos del tratamiento de agua residual, llegando a ser un tratamiento amigable con

Compuesto de Biogás Técnica de separación

Separador de partículas

Ciclón separador

Condensación

Secado

Adsorción con sílica

Oxidación biológica aeróbica

Adición de cloruro férrico

Adsorción con oxido feroso

Absorción con soda

Adsorción con solución ferrosa

Separación con membranas

Filtros biológicos

Carbón activado

Tamices moleculares

Adsorción con oscilación de presión (PSE)

Técnicas basadas en absorción física

Membranas de separación

Técnicas basadas en absorción química

Adición de propano

Criogenización

Eliminación de Agua

Eliminación de Sulfuro de hidrógeno

Eliminación de dióxido de carbono



el medio ambiente y económicamente eficiente, con considerables reducciones en

su aporte a los índices potencial de calentamiento global (GWP), potencial de

acidificación del suelo (AP), potencial de toxicidad para humanos (HT) y uso del

suelo (LU) en comparación con el análisis de ciclo de vida (LCA) con otros

tratamientos que no usan la digestión anaerobia (Hong. Jinglana., 2009).

En Europa el caso del tratamiento de agua residual en Praga, demuestra una

ventaja de la digestión anaerobia, incluso en zonas templadas donde la variación

de temperatura en estaciones es muy severa, allí se ha podido llegar a una

eficiencia energética del 70%, en la planta de tratamiento de agua residual de un

caudal de 3,5 m3/s, donde se realiza la digestión anaerobia en 2 fases, con un

mayor rendimiento en temperaturas entre 52º y 55ºC (Jenicek, 2012).

La necesidad de diversificar las fuentes de biocombustibles ha llevado a los

investigadores a nivel mundial a considerar los residuos líquidos y sólidos como

una alternativa real a la solución del problema; se considera una solución

marginal, debido a que la biometanización tiene inconvenientes técnicos que no

permiten tener grandes cantidades de biogás utilizable en cortos periodos de

tiempo, pero el mejoramiento continuo de esta técnica, puede llevarnos a la

optimización de procesos y por ende a la madurez de la tecnología (Water

Environment Federation., 2009). En la actualidad países como la India consideran

a los residuos como una fuente alternativa de energía, ya sea por la vía de la

incineración de los residuos sólidos, como por parte de considerar la

biometanización una tecnología de doble propósito, usándola para la depuración

de aguas residuales y en la utilización del biogás como recurso energético.

Los estudios realizados para evidenciar el potencial de los residuos líquidos se ha

basado principalmente en zonas subtropicales y zonas de estaciones definidas, en

las cuales las condiciones climática no permiten un suministro de biogás constante

(Demirbas, Biofuel policy , biofuel economy and global biofuel projections, 2008),

pues los meses fríos disminuyen la productividad de biogás y en el caso de las

algas las pocas horas de radiación solar limitan un aprovechamiento marginal del

recurso planteado.



1.2.2 Aprovechamiento con cultivo de microalgas.

El trabajo proyecta la utilización de las microalgas en el tratamiento de efluentes

de los reactores anaerobios; para esto en la tabla 6 se presenta la clasificación de

estos microorganismos.

Tabla 6: Clasificación de microalgas

Fuente: Tomado de www.algaebase.com; Hu et al., 2008; Sheehan et al 1998.

Los aprovechamientos en el campo de la energía son muchos, y en la figura 4 se

muestran todas las posibilidades que se tiene cuando se usan la microalgas; es

así como se pueden transformar por diversos procesos biológicos, químicos y

físicos en diferentes compuestos y diferentes aprovechamientos (Amin, 2009).

De la misma manera las horas de sol en el trópico tienen diferencias definidas en

las épocas del año, que no pasan de 30 minutos, lo que significa una variabilidad

inferior al 4,16% de variabilidad en radiación solar y las zonas tropicales alternan

http://www.algaebase.com/



sequía y lluvias; la restricción de luz solar en términos de watts incidentes por

metro cuadrado no es significativa, para ninguna época del año.

Estas potencialidades no han sido estudiadas a profundidad en ambientes

tropicales, pero esta latitud en términos de potencialidad de cosechar energía por

vía biológica es la que presenta mejor perspectiva.

Figura 4: Posibilidades de conversión energética de las microalgas para

generación de energía por vía biológica y termoquímica.

Fuente: Amin – 2009.

La utilización del agua para todas las actividades humanas marca una huella

importante en el sector energético y se proyecta para el año 2030, una mayor

presión sobre el recurso agua, de acuerdo con la demanda de alimentos en el

mundo entero.

Como se observa en la tabla 7, en el 2030 de la energía va a demandar más del

recurso agua, para la producción de energía. Al depurar correctamente el agua y

aprovechar todos los nutrientes que se encuentran en ellas, pueden disminuir la

presión sobre el recurso; disminuir la cantidad de energéticos que transportan los

centros urbanos para su manutención energética, puede llegar a disminuir costos,

mejorar el aprovechamiento de los recursos locales y a optimizar la depuración de

los residuos líquidos, con el impulso de los dividendos económicos.

Microalga

Conversión

termoquímica

Conversión

bioquímica Transesterificación

Fermentación

Hidrogenación

Licuefacción

Pirolisis

Gasificación

Etanol

Biodiesel

Gas combustible

Aceite y Carbón

Aceite

Aceite



Tabla 7: Perspectivas a 2030 de la energía primaria de acuerdo con el IPCC

Fuente: (IPCC, 2008)



De otra parte se tiene la posibilidad de usar los efluentes de sistemas anaerobios

como medio de cultivo de microalgas; este tema ha sido estudiado en la última

década, y aunque las microalgas son conocidas desde hace mucho tiempo, la

utilización de las mismas en aprovechamiento energético, se observa como una

tecnología en desarrollo, que todavía no alcanza una sostenibilidad y una

estandarización.

1.3 Antecedentes.

La búsqueda de nuevas alternativas energéticas es una de las actividades que se

ha abordado con mayor vigor en el mundo, especialmente en los países que no

poseen reservas significativas de energías primarias. En el caso de Colombia se

ha abordado el tema con políticas importantes en el campo de los biocombustibles

de primera generación, y se tiene una infraestructura fortalecida, para la

producción de alcohol carburante procedente de caña de azúcar (Saccharum

officinarum), en el país se tiene 223.905 hectáreas de caña, de las cuales una

parte es destinada a producir alcohol carburante, (Federación Nacional de

Biocombustibles, 2012), y se producen 336,95 millones de litros de alcohol, que

salen de los departamentos del Valle del Cauca, Cauca, Risaralda y Meta.

Las cifras indican que la demanda de alcohol anhidro carburante va siendo mayor

cada año de acuerdo con los consumos de gasolina, en la cual se lleva la mezcla

del alcohol, el precio actual de este combustible USD $1,19 por litro ($ 2.121,58

pesos colombianos), precio atractivo para los industriales de la caña en el país.

De otra parte el uso del gas natural tiene una clara tendencia al alza en los últimos

años, como lo indican los datos de la UPME, motivo por el cual se deben buscar

una alternativa al suministro de gas, teniendo en cuenta que se prevé una escases

para los próximos años, cuando el país deje de ser autosuficientes en el

suministro de gas; por esto se propone el uso del biogás que si llega a las

condiciones del gas natural puede utilizarse la infraestructura actual, para distribuir

un biogás purificado.



Figura 5: Consumo de gas natural en Colombia

Fuente: UPME

A nivel global los principales productores de alcohol carburante son Estados

Unidos y Brasil, que han basado su modelo de producción de alcohol en 2 cultivos

principales, el maíz (Zea mays) y la caña de azúcar respectivamente, La caña de

azúcar presenta la mejor producción de alcohol carburante, teniendo en cuenta la

fuerte competencia del maíz, para ser usado como alimento, y no como

combustible, se entiende que por ser Estados Unidos el mayor productor mundial

de maíz, con una gran disponibilidad de este commodity, y pueden tomar este

cereal como materia prima principal de su proceso de producción de alcohol

anhidro; al desviar alimentos para el uso energético en biocombustibles ocasiona

el rechazo del mundo en vías de desarrollo.

En otro sector de producción de etanol carburante, se contempla la producción a

gran escala de bioetanol de segunda generación, que corresponde al alcohol

producido a partir de residuos celulósicos, que generalmente se asocian con la

utilización de residuos de cosecha, los cuales se destinan a procesos de hidrólisis,

para su sacarización y la posterior fermentación para la producción de etanol. Esta



tecnología está en proceso de maduración para ser aplicada a gran escala, pues

presenta dificultades en la parte de la hidrólisis enzimática de los componentes

recalcitrantes tales como la celulosa, hemicelulosa y lignina.

En lo referente al biodiesel se tiene un sector fortalecido en lo referente al cultivo

de la palma aceitera (Elaeis guineensis), este sector productivo de la economía

colombiana cuenta con una producción para 2011 de 443.037 toneladas de

biodiesel, y es un sector que cuenta con una infraestructura que permite procesar

la producción de fruto de palma, para realizar la extracción del aceite crudo y

transformarlo en refinado y en biodiesel. Se evidencia que la palma aceitera es un

producto agrícola, que puede ser usado con fines alimenticios, lo que indica que la

utilización del biodiesel compite con el suministro de aceite comestible con el

mercado del diesel en Colombia. Aunque no se ha evidenciado escases del aceite

como causa de su uso en motores diesel, puede ser poco amigable con el medio

ambiente, cuando se cultiva la palma aceitera en zonas no intervenidas, como

resultado de la ampliación de la frontera agrícola del país.

Cabe anotar que en Colombia la palma aceitera compite por el suelo de cultivo de

los alimentos, y especialmente con los cultivos de “pan coger”, que representa una

buena parte de la dieta de los campesinos en Colombia y hace parte de la

microeconomía local en las áreas rurales.

En lo referente al biodiesel se ha generado un movimiento hacia el

aprovechamiento de los aceites usados, pues si se produce biodiesel a partir de

este residuo alimenticio, no se establecería la competencia con la seguridad

alimentaria; y se abre espacio para nuevas oportunidades de negocio, que en este

momento no ha sido atractivo, pues no cuenta con una política que refuerce de

reutilización de este residuo alimenticio, y su destino en el sector energético.

Vale la pena nombrar que los sistemas de aprovechamiento del aceite vegetal

usado tienen un altísimo componente cultural y educativo que conduzca a

promover la costumbre de llevar el aceite usado a un centro de acopio, pues en el



caso colombiano el recurso está disperso, y su acopio necesitaría de una red de

ciudadanos que lo promuevan.

El biodiesel ha sufrido una transformación en sus fuentes y en estos días se está

promoviendo la utilización del microalgas en la producción del recurso primario;

esto surge por las diversas ventajas que presenta el cultivo de microalgas, aunque

requiere superar diversos retos tecnológicos como se ha podido evidenciar en los

estudios sobre la viabilidad del biodiesel microalgal.

Los biocombustibles procedentes de algas se consideran de tercera generación,

pues tienen mejores potenciales de desempeños ambientales y económicos, y

poseen un componente adicional que se basa en la utilización de residuos

abundantes para la generación de estas energías asociadas a los motores de

combustión interna y los motores diesel.

Una de las principales ventajas de la utilización de residuos en la producción

energética se asocia con la mejora sustantiva en lo referente al impacto ambiental,

pues se debe depurar los residuos muy eficientemente, para producir el producto

final, ya sea un combustible gaseoso, líquido o sólido.

En las condiciones actuales los países tropicales no han comprometido esfuerzos,

para desarrollar el potencial de la generación de biocombustibles de tercera

generación, y en su mayoría se han empeñado en sostener los sistemas de

producción de biocombustibles de primera generación, debido a que estos

sistemas de producción generan una buena parte del empleo en zonas agrícolas.

Sin embargo no hacen esfuerzos por proporcionar empleos a personas con alto

nivel educativo, que puedan promover los adelantos científicos y tecnológicos,

resolver los problemas inherentes al aumento de la demanda energética y los

problemas asociados al tratamiento eficiente de los residuos de todos los tipos.

En lo referente a lo tecnológico se han realizado estudios para evaluar el potencial

del biogás como combustible renovable, (Naja, 2011), para evaluar se le da un

potencial a este recurso, teniendo en cuenta que presenta retos tecnológicos



como, la purificación del biogás, la deshumidificación y la concentración de

metano son operaciones que demandan tecnología y control, con el fin de tratarlo

como se trata al gas natural procedente de las fuentes fósiles. Este estudio

concluye que al superar los problemas de altos contenidos de azufre y llegar a un

un nivel de pureza superior al 90%, posibilitan la manipulación del biogás, de la

misma manera que se trata al gas natural.

Con respecto a las microalgas se han implementado estudios preliminares, que se

dirigen a resolver los inconvenientes del cultivo de las microalgas; uno de los más

importante es el mantener un cultivo puro de una sola especie o un coctel de

especies de algas, que tengan una alta producción de ácidos grasos, y que se

puedan separar del medio acuoso en operaciones que tengan costos similares a

los que actualmente tienen los sistemas de producción de aceite vegetal refinado.

Este camino puede llevar a las microalgas a proporcionar un biodiesel de buena

calidad, que se pueda usar en los motores diesel, sin tener que incurrir en

adaptaciones tecnológicas complicadas.

El uso de combustibles salidos de procesos biológicos, donde la materia prima son

desechos, se está optimizando y las perspectivas al mediano y largo plazo, son

prometedoras. Se proyecta que los combustibles de tercera generación tengan

mejores comportamientos económicos que sus similares de primera y segunda

generación, contabilizando menos impactos ambientales y menos riesgos a la

seguridad alimentarias de países en vías de desarrollo, especialmente de

población vulnerable.

La utilización del tratamiento de aguas residuales con aprovechamiento energético

ya se está implementando en algunas partes del mundo con un éxito limitado

únicamente por las condiciones de los efluentes municipales, como es el caso de

la ciudad de Praga en la Republica Checa, en donde se aprovecha el biogás de un

reactor de lodos, el cual es utilizado para cubrir hasta el 70% de la demanda

energética de la planta de tratamiento de agua residual (Jenicek, 2012), con un

aporte al conocimiento de los sistemas de tratamiento anaerobio de lodos.



Otro ejemplo es el estudio realizado para la instalación de un reactor anaerobio de

lodos para la ciudad de London en Ontario, Canadá, en cuya prospección

realizada en 2011, se considera una infraestructura, que cubre no sólo las

necesidades de la planta de tratamiento, sino que puede generar cantidades

excedentes de energía, en formas de calor y energía eléctrica para suministrar a

usuarios domésticos o industriales. Las proyecciones son producir 5,8 MW de

electricidad por día y 11,9 MW de calor aprovechable (University of Western

Ontario, Department of Chemical and Biochemical Engineering, 2011), este

estudio fundamenta su aprovechamiento energético en un reactor de lodos, con

una factibilidad técnica.

La UNESCO (United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization) ha

publicado una perspectiva de los escenarios combinados de biocombustibles y las

perspectivas del agua para el 2030 (Lienden, 2010), donde establece que la

demanda de biodiesel se incrementará de tal forma que va a tender a igualarse

con la demanda de bioetanol. De otra parte se considera que los biocombustibles

de primera generación jugarán un papel activo en los problemas de escases de

agua, debido a la cantidad de agua natural que demandan para su cultivo,

cosecha y procesamiento.

1.4 Estado actual de las aguas residuales en el Área Metropolitana de

Bucaramanga.

El Área Metropolitana de Bucaramanga está formada por los cascos urbanos de 4

municipios, que son Bucaramanga, Floridablanca, Girón y Piedecuesta, en la

provincia de Soto del departamento de Santader.

El tratamiento de agua residual en esta región cuenta con plantas de tratamiento,

que no cubren la totalidad de los efluentes producidos en la ciudad, es así como

esta área cuenta con 763 kilómetros de tubería sanitaria, que colecta agua

residual que sirven a una población de 1’104 000 habitantes, existen algunos

colectores de agua de tipo mixto que están siendo independizados, para disminuir



la dilución de la carga del agua residual, en un plazo aproximado de 5 años

(Empresa Publica de Alcantarillado de Santander S.A. E.S.P, 2007).

EL agua residual se conduce hacia diferentes cuencas en las cuales se cuentan:

Rio Frío.

Rio de Oro Norte.

Rio de Oro La Marino.

Meseta.

Suratá Norte.

Los colectores de las aguas residuales descargan sobre estas cuencas en

diferentes caudales y cargas de acuerdo con la población que sirven en los

diferentes barrios de los municipios de Área Metropolitana;

Las corrientes colectoras primarias del sistema de alcantarillado del Área

Metropolitana, sin contar con el municipio de Piedecuesta son 4, las

correspondientes a Rio Frío, la Quebrada La Iglesia, Rio de Oro y la del Rio

Suratá, de estas corrientes solamente se tratan las correspondientes al Rio Frío,

que van a desembocar en la Planta de Tratamiento de Aguas Residuales de Rio

frío, sistema operado por la Empresa Pública de Alcantarillado de Santander.

La planta de tratamiento de agua residual de Río Frío es un sistema de

tratamiento instalado en Floridablanca y tiene un tratamiento de los lodos, en este

proceso se purgan los lodos del reactor anaerobio de flujo ascendente (UASB

Upflow Anaerobic Sludge Blanket), y se dejan secar al aire libre, para luego

adicionarles cal, para estabilizarlos y disminuir su olor, para posteriormente ser

usados como abono forestal, en las reservas de bosque aledañas al área

metropolitana.

El biogás que se produce actualmente no se aprovecha, y se proyecta su

aprovechamiento, para el funcionamiento de la ampliación de la planta a 2 m3/s,

es importante anotar que la ampliación considera la utilización del biogás salido

del UASB, para realizar el movimiento del agua en un sistema aerobio en forma de



“carrusel” que es un sistema de lodo activado con inyección de aire, con

movimiento del agua dentro del tanque, para generar una zona aerobia y otra

anaerobia, las cuales van a reducir la demanda química de oxígeno (DQO) y

promover la nitrificación y desnitrificación (Empresa Publica de Alcantarillado de

Santander S.A. E.S.P, 2007).



Figura 6: Corrientes receptoras de la meseta de Bucaramanga, Floridablanca y Girón

Fuente: (Empresa Publica de Alcantarillado de Santander S.A. E.S.P, 2007)



De la colección de estos interceptores se conduce el agua residual hacia los ríos

que reciben estos caudales, los vertimientos del Rio de Oro son afectados por las

descargas de Girón y las de la Quebrada La Iglesia, con agua residual de varios

sectores de Bucaramanga, los vertimientos del centro y norte de Bucaramanga

van a ser descargados en el Rio Suratá, estas descargas se realizan sin ningún

tipo de tratamiento, es decir las aguas residuales crudas van a afectar

negativamente a estas cuencas, causando impactos en el ambiente,

especialmente la eutrofización del agua superficial y producen olores ofensivos,

para los habitantes aguas abajo de las descargas.

Es importante anotar que el modelo de colección de las aguar residuales en el

Área Metropolitana de Bucaramanga (AMB), sigue el modelo de la mayoría de las

ciudades colombianas, que descargan sus efluentes a cuerpos de agua de bajo

caudal, transformándose en colectores abiertos.

En la tabla 8 se identifican los valores de los caudales y cargas del sistema de

alcantarillado correspondientes a Bucaramanga, Floridablanca y Girón, que son

administradas por la empresa EMPAS. Este sistema se demuestra que es de alta

complejidad y se advierte que el caudal per cápita es de 203 litros día por

habitante, lo que representa una carga aproximada de 181.353 metros cúbicos al

día de agua residual, con una carga promedio de 57,67 toneladas de DQO que

recibe estas cuencas principales, que corresponden a más del 80% de los

habitantes del Área Metropolitana.

Las descargas de aguas residuales de cada cuenca tienen diferentes valores, de

acuerdo con las actividades de cada zona. Es así como las correspondientes a

zonas del centro de Bucaramanga reciben descargas con efluentes de algunas

industrias, las cuales no se han ubicado en la zona industrial de Chimitá y

especialmente se reciben efluentes de tipo industrial de las compañías dedicadas

a los servicios Industriales, que son las predominantes en los barrios Gaitán y

Girardot.



Tabla 8: Valores de caudales y cargas de contaminantes en Bucaramanga,

Floridablanca y Girón

Fuente: (EMPAS - Empresa Publica de Alcantarillado de Santander S.A. E.S.P.,

2007)

Este panorama se va incrementando conforme al crecimiento de la ciudad, pues el

Área Metropolitana de Bucaramanga cuenta con índices de bienestar para sus

habitantes, en los cuales se destaca, como una ciudad con bajo desempleo, con

buenos servicios públicos y una buena cantidad de clase media, lo cual la ubica



como una ciudad equitativa en el contexto nacional (OBSERVATORIO DE

MERCADO DE TRABAJO DE BUCARAMANGA, 2012).

El Área Metropolitana de Bucaramanga ha aumentado su actividad industrial y

comercial en los últimos 5 años, consecuencia de esto se han aumentado los

caudales y cargas de las cuencas receptoras. Así mismo ha recibido a personas

de otras partes del país que han encontrado mejores condiciones de vida en este

sector del país.

En el campo internacional se cuenta con varios ejemplos de aprovechamiento

energético de las aguas residuales, como son el caso de la Planta de Tratamiento

de Agua Residual de Praga en la Republica Checa (Wastewater Treatment Plant),

que trata 3,5 m3/s, con un cubrimiento energético mayor al 70% del consumo de la

planta de tratamiento (Jenicek, 2012), ensayos en la planta de tratamiento de agua

residual de Sao Paulo en Brasil (Teixeira. Suani., 2006), estudios sobre la

factibilidad de la instalación de esta tecnología en London, Canadá (Salem. EL

Harakeh., 2011). Y otros con grandes avances sobre el aprovechamiento de la

digestión anaerobia; pero no con la combinación expuesta en esta trabajo, el

factor diferenciador es la alternancia con el cultivo micro algal y la utilización de

diferentes lodos del proceso de tratamiento de agua y del aprovechamiento de la

microalga.



CAPÍTULO 2

2. Metodología.

2.1 Metodología para la evaluación del potencial energético de las aguas

residuales del Área Metropolitana de Bucaramanga.

La metodología se presenta en dos frentes, uno en la búsqueda de generación de

biogás y el otro en la búsqueda de un cultivo de microalgas con potencial de

generación de biodiesel.

La búsqueda del potencial energético de los residuos líquidos implica la utilización

de 2 tipos de fuentes de información. Una es la información secundaria procedente

de estudios previos acerca de la producción de biocombustibles con residuos. Los

datos no presentes en la bibliografía, se obtienen, de forma experimental, para

realizar un establecimiento de índices con respecto a las cargas contaminantes y

su capacidad de producción de biogás y ácidos grasos.

Para establecer la búsqueda del potencial energético de los residuos líquidos se

emplea un Método Sistémico, modelando los procesos productivos de los

biocombustibles, determinando las variables relevantes que lo afectan

positivamente, indagando sobre las relaciones de todos los componentes bióticos

y abióticos de los cultivos microbianos y el uso del agua residual tratada como

materia prima de la elaboración de biocombustible gaseoso y líquido.

Las evaluaciones de los sistemas de producción de biogás, se analizarán con una

estadística descriptiva, y análisis de varianza, para establecer la significancia de

las variables que afectan los procesos de digestión anaerobia y el cultivo intensivo

de las microalgas.

Las comparaciones de los rendimientos biológicos se establecerán en el estudio,

para establecer las eficiencias de los procesos con respecto a los productos

obtenidos y que serán biogás de digestión anaerobia y biodiesel de origen

microalgal.



Para llevar a cabo la evaluación del potencial energético de las aguas residuales

del Área Metropolitana de Bucaramanga se dispone de 3 herramientas, que

pueden conducir al cálculo de las cantidades de los biocombustibles buscados

como resultado del tratamiento del agua residual doméstica, de los municipios que

conforman la AMB; las herramientas son el “software” LabVIEW versión 2012, el

“software” ASPEN PLUS versión 7.3 y los criterios de diseño de los sistemas de

tratamiento de agua residual, son las cinéticas de transferencia de masa y

transformación de sustancias carbonadas en los biocombustibles biogás y

biodiesel de origen microalgal.

2.1 Diseño experimental.

Para llevar a cabo el levantamiento de los rendimientos propios de los procesos se

realiza tres principales modelados, fundamentándose en las operaciones unitarias

que producen los metabolitos buscados. Las operaciones son la simulación de un

reactor UASB junto con un reactor anaeróbico de lodos y una laguna aerobia de

alta tasa.

Las unidades generadoras de los biocombustibles o la materia prima de ellos, son

el centro de atención de la evaluación del potencial energético. Las cinéticas de

cada uno de los comportamientos de las unidades nombradas han sido probadas

con anterioridad a nivel experimental, y en varios casos, como lo es el caso del

biogás de UASB y de reactores de lodos, ya se encuentran disponible como

información de origen secundario en reactores similares dentro y fuera de la zona

tropical. Cabe anotar que la mayoría de la información se encuentra en países

desarrollados dentro de la zona templada del planeta, y las otras se encuentran en

zonas subtropicales y sólo pocas en la zona tropical, similar a las condiciones de

la AMB.

2.1.1 Aplicación de software.

Los software nombrados para determinar el funcionamiento del sistema de

tratamiento de agua y productor de los biocombustibles se aplican para facilitar la



comprensión del sistema propuesto en este estudio y tienen diversas

características, de las cuales sólo se aprovechan algunas, pues los alcances del

proyecto limitan el uso más amplio de estas herramientas.

El uso de LabVIEW se realiza para integrar el sistema de tratamiento de agua con

el sistema de recolección de los biocombustibles en una sola unidad operativa,

que puede ser llamada tanto sistema de aprovechamiento energético y de

tratamiento de agua residual municipal.

EL LabVIEW tiene como característica poder establecer procesos en forma de

operaciones de distintos tipos, creando diagramas de bloques en su formación.

Para el presente estudio se programó solo con la intención de establecer el

sistema de aprovechamiento energético como una planta de producción, donde se

consideran 2 partes fundamentales. El sistema de tratamiento de agua residual y

el sistema de recolección de los efluentes del sistema y su transformación en

biocombustibles.

El uso del ASPEN PLUS 7.3 se aplica con fines de balance de materia, en el cual

se establece como la unidad de cálculo la transformación del DQO presente en el

agua residual en biogás y la fijación de CO2 atmosférico para la formación de

biomasa celular microalgal. Esta herramienta recibe las indicaciones de las

cinéticas que se describen en otros apartes de este capítulo, que gobiernan las

transformaciones de la materia tratada; para poder correr el programa es

necesario generar un ajuste de programación, pues la diversidad de los

contaminantes entrantes con el agua residual, establecen una complejidad

sustancial al programa, para simplificarlo, se establece la cinética de consumo de

glucosa por parte de los microorganismos anaerobios para la generación de

biogás, en la parte heterotrófica, y para la parte de formación de alga se sigue el

modelo de crecimiento microalgal.

Las cinéticas microbianas para digestión anaerobia tienen diferentes

comportamientos, pero para el caso actual se seleccionó el modelo Anaerobic

Digestion Model 1 (ADM 1) por ser el modelo que mejor se ajusta a la compleja



dinámica de las transformaciones biológicas, modelo que se describe en un

numeral posterior, dentro de este capítulo.

2.1.2 Reactor Anaerobio tipo UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket).

El reactor UASB es el más utilizado en el campo del tratamiento de aguas

residuales (Agencia Andaluza de la Energía, 2011), debido a su fácil manejo y la

eficiencia en el tratamiento y la capacidad de producción de biogás. En lo

referente a la zona tropical, esta tecnología ha sido exitosamente implementada,

teniendo en cuenta que el reactor no sufre de cambios de temperatura

significativos, la falla que si se presenta en los países por fuera del trópico, pues

las variaciones de temperatura pueden disminuir el metabolismo de los

microorganismos dentro de los reactores.

Figura 7: Tecnologías para tratamiento anaerobio de aguas y lodos

Fuente: Agencia Andaluza de la Energía.

El reactor UASB, posee una configuración sencilla, que lo hace muy versátil para

ser aplicado, pero posee debilidades asociadas al lavado del reactor,

especialmente cuando ingresa más agua residual de la prevista en el diseño, y así

mismo la entrada de agua con muy poca carga disminuye su eficiencia, pues se

comporta muy bien en cargas medias y altas.



Una de las características del reactor UASB es su capacidad de transformar entre

un 70 y 95% la materia orgánica en biogás (Agencia Andaluza de la Energía,

2011), pero tienen sensibilidades que pueden llevarlo a salir de su estado de

equilibrio. Esto se debe a la irregularidad del afluente, y a su diferencia en

composición dependiendo de la época del año en que se trate. Es así como es

necesario que el sistema preliminar elimine eficientemente las grasas, arenas, la

corrección de pH, para garantizar la eficiencia del sistema.

El reactor UASB puede trabajar en sistemas batch, feed batch o continuo, siendo

este último la configuración preferida para el tratamiento de aguas residuales,

pues los altos volúmenes no dejan lugar a estacionalidades momentáneas, con

tiempos de retención que fluctúan entre la 6 horas y las 12 horas (RAS 2000

TITULO E, 2000).

Figura 8: Esquema del funcionamiento de un reactor UASB.

Fuente: (Agencia Andaluza de la Energía, 2011)



La estabilidad del reactor UASB es un proceso que depende directamente del

proceso de arranque, el cual empieza como un reactor en “batch”, que llega a los

valores normales de concentración de biomasa (X), sustrato (S) y producto (P).

Estas características deben llegar a un equilibrio que permite maximizar el

consumo de sustrato, junto con la maximización de la síntesis del producto, (en

este caso es biogás), en una mezcla gaseosa, donde los gases mayoritarios son el

metano (CH4) y el dióxido de carbono (CO2), con características en

concentraciones de otros contaminantes, donde se cuenta el ácido sulfhídrico

(H2S), y otros compuestos que se volatilizan, desorviendose como parte del

producto del metabolismo energético de los grupos microbianos descritos.

El estado de equilibrio se establece en la medida que el factor de dilución (D), se

aproxima al valor de la velocidad específica de crecimiento (µ), que para la

cinética establece la igualdad entre la capacidad de crecimiento de las células

microbianas y la velocidad con la cual se pierden las células en el lodo generado

en el reactor y las células perdidas en el flujo del agua residual en el proceso de

tratamiento.

Ecuación 1 𝐃 = µ

Esto indica que el equilibrio es una condición cinética, la cual debe mantener las

concentraciones de la biomasa, del sustrato y del producto en el valor con mayor

probabilidad de mantener el funcionamiento del reactor sin sobresaltos. Otra

condición importante de la capacidad del reactor reside en el contacto del sustrato,

en términos de la materia orgánica transportada por el agua residual, con las

células capaces de transformarlo en biogás como producto principal del proceso,

estas condiciones de operación no son estables dentro del funcionamiento del

reactor, aún más si se considera que el reactor posee internamente un sistema de

control de temperatura, que demanda costos importantes, pues el calentamiento

de grandes masas de agua requiere una gran cantidad de energía, y el

mantenimiento de un sistema de automatización tiene grandes complejidades.



Para poder mejorar la temperatura del agua se propone el calentamiento con parte

del biogás generado por el reactor, controlado por un sistema electrónico, que

pueda mantener la isoterma dentro de una fluctuación de temperatura no mayor a

más o menos cinco grados centígrados (+o-5ºC), otras estrategias se implementan

con el calor percibido de la radiación solar, con tuberías que puedan transferir el

calor radiado al agua; una de las ventajas de estar en el trópico es contar con una

gran cantidad de radiación solar disponible, y que la isoterma no va a estar muy

lejos, pues las mejores producciones de biogás y de consumo de DQO se

encuentran generalmente entre 35 y 40ºC, y las aguas residuales tropicales

rondan los 20 a 25ºC.

La capacidad de consumo del DQO del reactor se puede mejorar con fases de

ajuste de pH óptimo 6,8 – 8,2 (Organización Latinoamericana de Energía

"OLADE", 2011), considerando la mínima adición de ácidos o bases fuertes en la

eventualidad de necesitarlo, de esta forma se puede obtener una optimización del

sistema de generación de biogás, los pH de inhibición se encuentran entre 6,5 y

8,2 (Del Real. O., 2007).

2.1.3 Reactor anaerobio de lodos.

El reactor de lodos que se usa en esta simulación tiene que ver con un recipiente

que recibe los lodos provenientes del reactor UASB, los lodos del desarenador, y

los lodos residuales de la separación de las sustancias de interés del cultivo de

microalgas en una laguna de alta tasa.

La configuración del reactor es cilíndrica, con flujo de lodos ascendente, en el cual

dispone de 4 a 8 días de tiempo de retención hidráulica, con un sistema captador

de gases, que a su vez conduce el biogás hacia el sistema de depuración de

biogás.

El reactor de lodos se opera en continuo, preferiblemente con un rango de

temperatura termofílico, entre 52ºC y 55ºC, para su mayor desempeño.

Adicionalmente esta temperatura ayuda a la muerte de una parte de los patógenos



presentes en el lodo, especialmente aquellos sensibles a las temperaturas

establecidas.

2.1.4 Laguna aerobia de alta tasa.

Cultivo de Algas: la simulación de este cultivo se realizará de dos maneras, la

primera en un fotoreactor hermético, conservando la pureza del cultivo de algas.

Allí donde se ha establecido una preferencia por el uso de Chlorella vulgaris, como

un firme candidato a ser una de las algas a probar, como fuente de biodiesel.

Figura 9: Laguna de alta tasa

Fuente: aguapuntocero wordpress.com

La modelación se realiza como un cultivo algal expuesto, sin protecciones que lo

hagan hermético, lo que dará una idea clara de la afectación por microorganismos

y demás factores externos.

Los datos son tratados con un análisis de varianza, para establecer si existen

diferencias significativas entre los dos sistemas en condiciones tropicales con

tiempos de irradiación de 12 x 12 horas.



El cultivo de las algas se realizará en un tiempo de retención hidráulica de 2 días,

con un rendimiento aproximado de 1g/ld de masa celular, estableciendo una fase

previa de ajuste, que provea y balancee los micronutrientes, que se encuentren en

déficit, para el crecimiento algal.

2.1.5 Modelo anaerobio de cinética microbiana

La cinética microbiana es un factor determinante en el funcionamiento de todo

sistema de tratamiento de aguas residuales que dependa de microorganismos

para la transformación de la carga contaminante en otros productos metabólicos,

que son orientados según sea en medio aerobio o anaerobio.

La velocidad con la cual los microorganismos pueden crecer en número de células

(N) y por ende en su masa (X); la correlación del crecimiento de la biomasa con el

consumo del sustrato (S) y su relación con la síntesis del producto (P) son el

objeto de estudio de la cinética, para la determinación de los rendimientos de

cualquier proceso mediado por microorganismos; en la interpretación matemática

de estas variables se han planteado varios modelos cinéticos, que enfatizan su

operatividad en la velocidad específica de crecimiento (µ), variable que define

cómo es el crecimiento de un microorganismo en un medio de cultivo específico y

su relación de capacidad de consumo de sustrato en función de su constante de

saturación (Ks).

Los modelos cinéticos pueden agruparse en estructurados y no estructurados,

como lo sugiere Fredrickson en 1970 (Fredrickson, 1970), para el caso de los

estructurados se plantea que en la célula sólo se tienen en cuenta una o dos

especies químicas, como pueden ser los carbohidratos y las proteínas, y que no

interactúan en el proceso metabólico los demás componentes. Así mismo de las

reacciones metabólicas que lleva a cabo la célula sólo se da relevancia a aquella

que tiene importancia comercial, pero para el caso de la digestión anaerobia y el

cultivo microalgal no puede ser considerados, pues si tenemos en cuenta que el

medio de cultivo van a ser aguas residuales y que no se va a comportar como un

cultivo axénico, no es posible aplicar estos modelos.



Los modelos cinéticos no estructurados, por su parte consideran a la célula en por

lo menos los 4 principales elementos y su relación de abundancia en la célula, que

son los correspondientes a carbono (C), hidrógeno (H), oxígeno (O) y nitrógeno

(N), en su fórmula empírica, y su intercambio másico con el medio de cultivo, y con

la transferencia de masa del sustrato hacia el producto. Entre los modelos

cinéticos no estructurados principales se cuentan en de Monod, Moser, Contois-

Fujimoto, Teisser, Konak, Kargi-Shuler, Meyrath, Hinshelwood, y La Motta (Duarte,

1995), de estos el más aplicado es el de Monod, el cual ha sido modificado en

diferentes formas y la aplicación más frecuentemente usada para el caso

específico de la digestión anaerobia, es el modelo Anaerobic Digestic Model 1

(ADM1), desarrollado por The International Water Asociation (IWA) (Batstone. D.

J., 2002). Este modelo se basa en el modelo de Monod, con algunas

modificaciones.

Cinética de Monod

La cinética de Monod establece un modelo dependiente del sustrato y de su

capacidad de estar disuelto en el agua, y se representa con las siguientes

ecuaciones.

Ecuación 2 𝛍 = 𝛍𝐦𝐚𝐱 ∗𝐒

𝐒+𝐊𝐬

Dónde:

µ= velocidad específica de crecimiento (d-1 o h-1).

µmax= velocidad específica de crecimiento máxima (d-1 o h-1).

S= Concentración de sustrato (kg DQO/m3).

Ks= Constante de saturación (kg DQO/m3).

Esta expresión indica que la velocidad específica de crecimiento (µ) en un medio

de cultivo es igual a la velocidad específica máxima (µmax), multiplicado por la

concentración del sustrato, dividido en la sumatoria de la concentración del

sustrato con la constante de saturación de ese sustrato (Ks)



La segunda expresión que la cinética de Monod provee, nos indica la forma en la

cual se consume el sustrato, así.

Ecuación 3 𝛄𝐬 =𝟏

𝐘𝐱𝐬

∗ 𝛄𝐱

En esta expresión se fundamenta el consumo de sustrato donde:

ɣs= Velocidad de consumo de sustrato (kg DQO/m3h).

ɣx= Velocidad de crecimiento de la biomasa microbiana (kg DQO/m3h).

Yx/s= Rendimiento de la biomasa con respecto al sustrato(kg biomasa/ kg

DQO).

La velocidad de crecimiento de la biomasa se define en la siguiente ecuación.

Ecuación 4 𝛄𝐱 = 𝛍 ∗ 𝐱

En esta ecuación se determina la velocidad de crecimiento de la biomasa,

multiplicando la velocidad específica de crecimiento por la concentración inicial de

la biomasa (Ertola. Rodolfo., 1994).

El cálculo del rendimiento Yx/s es:

Ecuación 5 𝐘𝐱

𝐬= −

𝐗−𝐗𝐨

𝐒−𝐒𝐨

Este modelo cinético explica el comportamiento de un sistema microbiológico en

condiciones ideales, en las cuales no se tienen en cuenta los factores de

inhibición, derivados de los cambios dentro del cultivo, es por esto que se hace

necesario la modificación del modelo, para ajustarlo a una cinética más cercana al

comportamiento de la digestión anaerobia en un digestor; para esto se propone el

modelo ADM1, el cual considera una serie de condiciones más acorde con el

primer proceso de tratamiento del agua residual (Parker, 2005).

La cinética de Monod se establece en condiciones ideales de funcionamiento del

sistema de crecimiento celular, y no agrega información sobre los posibles efectos

externos e internos dentro del comportamiento de un sistema biológico, esta



información se complementa con la aplicación del modelo ADM 1, como se

muestra en el siguiente numeral.

Modelo ADM1.

El modelo ADM1, se fundamenta en el modelo de Monod,(ecuación 1) pero tiene

en cuenta factores de inhibición, de orden competitivo y no competitivo, los cuales

se muestran en las ecuaciones (Hernandez. M., 2011).

Ecuación 6 𝐈𝐜 =𝟏+𝟐,𝟏𝟎,𝟓[𝐩𝐇𝐋𝐋−𝐩𝐇𝐔𝐋]

𝟏+𝟏𝟎[𝐩𝐇−𝐩𝐇𝐔𝐋]+𝟏𝟎[𝐩𝐇𝐋𝐋−𝐩𝐇]

Dónde:

Ic= Inhibición por efectos competitivos (d-1 o h-1).

pH: Valor de pH medido

pHUL: Valor de pH Alto de inhibición

pHLL Valor de pH bajo de inhibición.

Los efectos de pH son considerados competitivos debido a que las enzimas de los

microorganismos responden a los cambios de pH, tanto altos como bajos, pues la

cinética enzimática depende de los pH ideales para cada reacción, es importante

anotar que esta condición establece una ecuación de tipo empírico, pues el pH

debe ser medido para determinar su capacidad de inhibición, así mismo se

establece que esta forma de inhibición se cuenta en d-1, pues se da en las

unidades de la velocidad específica de crecimiento (µ).

La otra ecuación que tiene en cuenta las inhibiciones no competitivas, se

fundamenta en las acciones que disminuyen la velocidad específica de

crecimiento de los microorganismos, fuera de los sectores activos de las enzimas,

pues esta es definida por la inhibición competitiva, y se establece con la siguiente

ecuación.

Ecuación 7 𝐈𝐧𝐜 =𝟏

𝟏+𝐒𝐢𝐊𝐢⁄

Dónde:



Inc= Inhibición por efectos no competitivos (d-1 o h-1).

Si= Concentración de sustrato inhibidor (kg DQO/m3).

Ki= Constante de inhibición (kg DQO/m3).

Esta forma de inhibición se establece para las sustancias que puedan ser

inhibidoras del crecimiento celular, cuando se encuentran por fuera de los rangos

máximos establecidos, pero su ausencia es igualmente nociva, pues hacen parte

de los sustratos de consumo regular, como es el caso del amonio (NH3), dióxido

de carbono (CO2) o hidrógeno (H+) libre.

Para efectuar la evaluación con esta cinética se toman las afectaciones más bajas

de la generación de biogás, esto debido a que se plantea en el diseño de la planta

de tratamiento de agua residual, fases de ajuste de pH, y normalizaciones del

agua, que mantengan el estado de equilibrio del cultivo continuo, que representan

el UASB y el reactor de lodos.

Los inhibidores tanto competitivos como los no competitivos afectan el

metabolismo microbiano en su función enzimática, ya sea en la parte anabólica,

como la catabólica.

Las fases de ajuste se presentan en zonas de transito del agua residual en la

entrada del Reactor UASB, y del lodo en la entrada de Reactor de lodos, junto con

el ajuste de temperatura para el lodo.

Para el UASB la fase de ajuste se considera en una unidad de filtro de carbón

activado, que retiene las toxinas por adsorción y otro ajuste en la adición de NaOH

y HCl, para mantenerlo en el intervalo ideal.

2.1.6 Modelo cinético de crecimiento de la microalga.

EL crecimiento microalgal responde a variables estequiométricas definidas en la

capacidad de la especie de microalga seleccionada para el proceso, y de la

calidad del medio de cultivo en la cual se produce el crecimiento del

microorganismo; en la búsqueda de un sistema de cultivo continuo que pueda



tratar el agua residual efluente del reactor UASB y generar una producción

significativa de biomasa, que permita un aprovechamiento energético de la misma.

La simulación del crecimiento se establece con respecto a los pasos realizados

para promover la generación de nuevas células, y a la vez la capacidad de

cosecharlas y realizar procesos extractivos que provean diferentes tipos de

materias primas, dentro de las cuales se privilegian las de características

energéticas, como lo son las grasas para proceso de esterificación (Henson.,

2013) y obtención de biodiesel; por otra parte la biomasa residual, que puede ser

aprovechada para generación de biogás en el reactor de lodos.

El modelo de crecimiento se establece la utilización de aguas residuales con el

crecimiento de la microalga, el cultivo se delimita dentro del sistema de tratamiento

de agua residual, el cual recibe como afluente las aguas salidas de un reactor

UASB, con concentraciones de nitrógeno y fósforo, compuestos que no son

totalmente removidos en el proceso de digestión anaerobia, pues la velocidad de

crecimiento del metabolismo anaerobio tiene limitantes, pues es productor de

biogás, pero no consume todo el nitrógeno y fósforo en el reactor, pues los

tiempos de retención hidráulico se contemplan entre 24 y 48 horas, tiempo en el

cual la separación del nitrógeno y fósforo es marginal, en este sistema.

La transformación del CO2 diluido en el agua en compuestos orgánicos es la

reacción principal, mediada por los balances de nitrógeno y fósforo en el agua de

cultivo, y con la participación de la radiación solar, que provee de energía a las

vías fotosintéticas de la microalga; la laguna aerobia propuesta para la el

crecimiento algal debe ser suplementada con nutrientes, solamente en los casos

en los cuales las precipitaciones provoquen una gran dilución de los nutrientes

disueltos en el agua residual, y estos nutrientes deben ser tomados del efluente

del digestor de lodos, con una materia orgánica estabilizada.



Figura 10: Diagrama de flujo del modelo de cultivo microalgal en agua

residual municipal

Fuente: Autor

2.1.7 Diseño del Sistema de tratamiento de agua residual propuesto para las

aguas del Área Metropolitana de Bucaramanga.

Para realizar la evaluación del potencial energético del agua residual del Área

Metropolitana de Bucaramanga se realiza un ejercicio conceptual de diseño del

sistema de tratamiento propuesto, pues esto corresponde a un estudio de caso, y

la principal planta de tratamiento de esta zona está cerca del caudal propuesto en

este diseño.

El sistema propuesto para el tratamiento del agua residual de Área Metropolitana

de Bucaramanga se describe ampliamente en el anexo 1, adicional a este

documento; para dar una idea clara de este, se presenta la siguiente figura.



Figura 11: Sistema de tratamiento propuesto para la evaluación del potencial energético de las aguas residuales de la AMB

Autor



CAPÍTULO 3

3. Depuración y ajuste del biogás y aprovechamiento de los lípidos de

microalga.

3.1 Depuración del biogás.

El biogás del sistema de tratamiento propuesto tiene 2 corrientes, como se

expresa en el esquema del modelo en LABVIEW, una línea se desprende de las

campanas GSL, de los reactores UASB, y la otra línea sale del reactor anaerobio

de lodos. En los 2 casos el biogás tiene composiciones de CH4, CO2 y otros gases

disueltos, y el H2S y los gases amoniacales NH4, que participan en la generación

de olores ofensivos.

Para la utilización del biogás es necesaria la mayor concentración posible de

metano, eliminando el contenido de dióxido de carbono y especialmente de la

humedad y del ácido sulfhídrico, que corroen los ductos de biogás.

Las operaciones necesarias para la depuración del biogás se definen como una

serie de pasos del gas por diferentes recipientes que separan los gases no

deseados mediante diferentes capturas y se concentra de esta manera el metano;

las operaciones unitarias a usar son:

Eliminación de compuestos amoniacales: esta operación se puede llevar a

cabo mediante la aspersión de ácido sulfúrico (H2SO4) (Osorio, 2009), con

concentraciones de 1N, que puedan capturar los iones NH4+, formando

sulfato de amonio, que se acompleja y se precipita, pues este queda

disuelto en el líquido hasta su saturación y precipitación en la solución

ácida.

Eliminación de compuestos orgánicos volátiles: este procedimiento se lleva

a cabo con una oxidación, mediante la aplicación de hipoclorito de sodio

NaClO, el cual se aplica al 2% en una torre en aspersión a contracorriente,

capturando por absorción a estos compuestos, retirándolos del biogás.



Eliminación de ácido sulfhídrico: este compuesto se elimina mediante la

aspersión en contracorriente en una torre, con soda caustica NaOH, en una

concentración de 1N, la cual atrapa el H2S, así NaOH + H2S = Na2S +

H2O, la separación del sulfuro es eficiente y puede eliminarse a niveles en

que no se considere peligroso o como un olor ofensivo.

Eliminación de la humedad: para realizar la separación de la mayor parte de

la humedad se requiere una fase donde se combinan 2 técnicas, la

facilitación del punto de rocío de la humedad presente en el biogás y

posteriormente se hace pasar el biogás por un lecho empaquetado de sílica

gel, la cual atrapa el agua por adsorción, activando un reactivo de cambio

de color cuando esta está en su saturación de agua. Esta sílica tiene la

capacidad de ser regenerada en varias oportunidades, lo que ayuda a su

reutilización continua

Eliminación de CO2: la separación de este gas tan abundante en el biogás

es uno de los mayores problemas, y para ello se puede implementar una

técnica mixta, en la cual se puede separar por absorción química, con un

medio básico, y de manera similar a la que trabaja con el ácido sulfhídrico.

Con la soda caustica se puede llevar a cabo la reacción CO2 + 2NaOH =

Na2CO3 + H2O, en la cual la formación de carbonato, que puede ser

separado por diferencia de densidad, pues este compuesto es más pesado

que el metano y en una torre de separación va a quedar en menor

proporción, ayudando a la capacidad calorífica del biogás resultante; para

separar con mayor eficiencia el CO2, pe puede combinar con la técnica de

la adsorción física en sólidos comunes como la alúmina, la cual atrapa el

dióxido de carbono. Este proceso ya es ofrecido por empresas proveedoras

de esta tecnología de depuración de gas, como EISENMANN

Maschinenbau GmbH & Co.KG., en Alemania

La depuración del biogás necesita adicionalmente el control de las presiones de

salida, y de válvulas que no permitan el contraflujo, esto derivado de los posibles

cambios de temperatura; el esquema de depuración de biogás se define así:



Figura 12: Depuración del biogás.

Esquema de depuración de biogás

Fuente: Autor

El aprovechamiento del biogás generado se aplica para aumentar la

independencia energética de la planta de tratamiento de agua residual, y en casos

ya verificados puede ser superior al 70%. Es decir solamente el uso del biogás

derivado de la digestión anaerobia de los lodos suministra esta potencia, en

tratamientos superiores a 1 m3/s (Jenicek, 2012); esta cosecha de biogás se

aumenta con la salida de biogás de los reactores UASB, con el cual se puede

consolidar la total independencia energética de la planta en todas sus formas de

consumo de energía, tanto de calor, energía eléctrica y otros consumos.

Los excedentes de biogás en la planta se ofrece a otros usuarios, o se puede

entregar a una red de distribución de gas natural, previamente estudiado los

resultados de la mezcla de gases en la red, pues estos modificarán la capacidad



calorífica del gas natural en la red, pues el biogás aún con la depuración tiene

características de gas pobre y agrio.

Las calidades del biogás son producto del control del reactor de lodos, y el tiempo

de retención hidráulica puede variar de acuerdo con las concentraciones de DQO

presentes en los lodos que se integran en este punto, esto requiere una operación

flexible en función de los resultados analíticos de los lodos aportantes y de la fase

de ajuste que requieran, propendiendo por optimizar cada operación del reactor.

Como medida de seguridad el sistema de tratamiento de lodos debe poseer una

redundancia, debido a que el funcionamiento de esta unidad debe realizarse

alternadamente, para permitir la intervención del mantenimiento continuo, sin dejar

del tratar estos lodos y su aprovechamiento energético.

3.2 Aprovechamiento de lípidos microalgales.

El aprovechamiento de las microalgas es materia de investigación y la factibilidad

de los procesos a costos razonables que puedan competir con los costos

generados en la industria energética convencional, derivada de la refinación

petrolera. Las microalgas tienen la característica de poseer diversas sustancias de

interés industrial, donde como diferentes tipos de lípidos, proteínas y

carbohidratos, la fuerte estabilidad de todas estas sustancias dentro de la célula,

hacen que su separación se haga difícil, y la destinación exclusiva del uso de los

lípidos lo hacen poco rentables, pues los usos industriales de los lípidos son

limitados y en el caso particular de los combustibles de alto consumo son de bajo

costo y esto ha pesado en la capacidad de llegar al equilibrio del escalamiento

industrial.

Para hacer más rentable la utilización de las microalgas deben aprovecharse

todas las sustancias de interés industrial, para lo cual se requiere realizar una

refinación de la pasta cruda del alga y la separación de las diferentes sustancias

con valor agregado. Esto se denomina biorefinería, pues su materia prima parte de



organismos cultivados y vivos en el momento de cosechar la pasta cruda (Halim.

Ronald., 2012).

Una característica del sistema de cultivo propuesto en este proyecto es el sistema

de cultivo abierto, como lo es una laguna aerobia de alta tasa, este cultivo sólo

puede ser instalado con la fijación de carbono atmosférico, y con tan solo un

ajuste en el agua de cultivo, donde se suministran los nutrientes faltantes y con

sistemas integrados de cosecha de las microalgas, que generen los menores

costos de inversión posibles, junto con el menor costo energético en su cosecha,

separación y refinación de la pasta cruda. Otra cualidad del cultivo que determina

el crecimiento de la microalga está definido por la cantidad de radiación solar

recibida, esto es el microclima del sitio donde se instalen las lagunas va a

determinar el crecimiento celular (Slegers. P.M., 2013).

Otras condiciones climáticas que determinan el rendimiento del cultivo residen en

la condición de encontrarse en una zona templada o en una zona tropical, pues las

radiaciones medias anuales son diferentes y las fluctuaciones de temperatura

determinaran la velocidad de crecimiento de las microalgas.

Además de las condiciones de cultivo, las condiciones reológicas afectan los

transportes de la biomasa, pues el crecimiento de estos microorganismos afecta

las condiciones de densidad y viscosidad del medio de cultivo, junto con las

condiciones de turbiedad y color del mismo (Smith. Benjamin T., 2013); de la

misma manera la extracción de la pasta cruda algal se verá determinada por todas

las características nombradas, y definiendo la profundidad de las lagunas

paralelas en 1,5 m como profundidad máxima se destaca que la población

microalgal debe cosecharse con regularidad, pues una sobrepoblación de

microalgas, disminuye la cantidad de radiación capaz de incidir en la zona fótica

de la laguna, esto a su vez disminuye la velocidad de crecimiento de la microalga

y permite en su parte más profunda unas condiciones de oscuridad y anoxia

favorables para la digestión anaerobia y sus problemas de afectación a la

atmósfera con la emisión de gases de efecto invernadero y la generación de

olores ofensivos.



La biología de cuerpos de agua residual está expuesta a la contaminación externa

y a la ecología microbiana que es difícil de predecir, sin embargo la inoculación de

la masa de agua residual entrante es una operación necesaria, pues de no

favorecer a la especie objetivo, se corre el peligro de que no se coseche el

metabolito de interés; es igualmente necesario el mantener los microelementos

más importantes para la especie de microalga a cultivar, adicionalmente la

medición de la turbiedad y el color del agua en cultivo, determinarán el tiempo de

la cosecha, pues la irregularidad de la entrada de nutrientes puede coadyuvar o

demorar el crecimiento.

La cantidad de lípido asociada al cultivo de microalga en el agua residual tratada

depende directamente de la especie y como ya se citó de las condiciones

climáticas, en el caso específico planteado en esta evaluación se toma la actividad

de la Chlorella sp la cual presenta una permanencia en aguas residuales

municipales y puede mantenerse como la microalga dominante del cultivo, por su

capacidad de adaptación al media, a pesar de la competencia de otros

microorganismos presentes en el agua residual municipal, esta microalga puede

sintetizar hasta 77mg/lid de lípidos en buenas condiciones de crecimiento, con un

µ=0,019 h-1, y con un rendimiento de producción de biomasa de Y=231mg/ld, con

un rendimiento de 33% de su masa en lípido (Zhou. W, 2011), con tiempo de

retención de 2 a 4 días, además las disminuciones de contaminantes como

nitrógeno y fósforo se evidencian, cuando se separa la microalga del agua.

La cosecha de la microalga puede realizarse mediante diferentes métodos dentro

de los cuales se destacan los métodos para romper las células y permitir la mezcla

de todos los compuestos celulares en una emulsión que debe someterse a la

desestabilización y a la generación de interfaces entre los compuestos con

diferencias de densidad; los métodos de disrupción celular son diversos y los más

usados se presentan en la siguiente tabla.



Tabla 9: Métodos de disrupción celular tradicionales

Disrupción Celular Mecánica Disrupción Celular No

Mecánica

Cizalladura

sólida

Cizalladura

líquida Otros Shock osmótico

Molido con

martillos Ultrasonido

Presión en

autoclave Disrupción enzimática

Con

presión

sobre el

sólido seco

Homogenización

a alta presión

Microondas

Adición de ácido o álcali

Liofilización

Fuente: (Halim. Ronald., 2012)

La disrupción de las células es el paso inicial para empezar a realizar las

extracciones de las sustancias de interés, las sustancias principales para el

presente trabajo son los lípidos que puedan ser transformados a biodiesel, y por

otra parte los sólidos residuales, con concentraciones importantes de

carbohidratos y proteínas, que pueden ser digeridos en el digestor de lodos, para

la producción de biogás (Tartakovsky. Boris., 2013); En términos sencillos las

algas aportan una importante cantidad de DQO al reactor de lodos, subiendo la

concentración de carbono disponible para la metanización y da aportes

importantes de nitrógeno y fósforo al reactor anaerobio.

La separación de la parte lipídica de la pasta algal cruda puede llevarse a cabo

con la captura con solventes orgánicos, técnica muy utilizada y con capacidad de

ser el solvente reciclado, los solventes más utilizados son el cloroformo, el hexano,

y algunos alcoholes como el isopropanol, el etanol y el metanol, también se usan

mezclas de estos, como las mezclas de hexano-isopropanol o cloroformo-metanol



(Halim. Ronald., 2012), con estas operaciones extractivas es necesario la

inversión de una cantidad de energía, que se necesita para mover los fluidos entre

los diferentes recipientes donde son mezclados y donde reaccionan,

adicionalmente se debe invertir una cantidad de energía en calor, para la

recuperación del solvente, pues este se recupera vía destilación.

La extracción del lípido sólo conduce a un aceite refinado que en su composición

posee glicerol y ácidos grasos, que deben ser sometidos a un proceso de

transesterificación para obtener un biocombustible de uso final como lo es el

biodiesel, esta operación se aplica usando metanol, de la misma manera como se

produce el biodiesel convencional de aceites vegetales.

3.3 Otros aprovechamientos energéticos.

La generación de bicombustibles establecida en esta evaluación define dos

biocombustibles de uso final, el biogás y el biodiesel, pero existen otras opciones

de aprovechamiento energético de las sustancias producidas en una planta de

tratamiento de agua residual, esta generación energética puede producirse por

medio de la aplicación de técnicas de combustión o pirolización de los lodos

producidos en la planta.

Para poder desarrollar este aprovechamiento es necesario tener una desecación

total del lodo, pues es necesario para la aplicación de calor en las dos técnicas

nombradas, esta operación de secado puede llevarse a cabo mediante 2

operaciones ya estandarizadas, una es el secado con aplicación de calor al lodo,

lo cual demanda una energía extra, la cual no siempre se puede cubrir con la

energía generada en la combustión o en la pirolisis; el otro método de secado ya

probado es basa en el secado al aire libre de los lodos, esta opción tiene 3

inconvenientes, el primero está relacionado con la liberación de gases de efecto

invernadero mientras se lleva a cabo el secado, pues la actividad metanogénica

sigue produciéndose, en los sitios de microaerofilia, con microorganismos

tolerantes de pequeñas cantidades de oxígeno (Rittman, 2001), y el otro

inconveniente es la fuerte afectación en olores ofensivos, que se liberan, pues el



secado requiere varios días y en este tiempo se liberan los gases de

características sulfhídricas y amoniacales propios de la digestión anaerobia; el

último de los inconvenientes planteados tienen que ver con el alto requerimiento

de área que demanda el secado al aire libre, y dentro de la infraestructura

necesaria se plantea una cobertura de toda el área demandada, con manejo de

lixiviados.

EL aprovechamiento energético descrito no sólo requiere de inversiones

adicionales, sino que además demanda tiempo y horas hombre que hacen menos

funcional al sistema de tratamiento de efluentes municipales.

En el escenario planteado en este proyecto no se considera esta alternativa, pues

se considera que la estabilización química del lodo y su posterior proceso para ser

aprovechado como un fertilizante forestal, es una estrategia que demanda menos

recursos y provee soluciones a este material (Christof, 2012).



CAPITULO 4

4. Resultados de la evaluación del aprovechamiento energético.

Los resultados son derivados de la modelación del sistema propuesto con las

operaciones descritas en la metodología, y con las trasferencias de masa

realizada a lo largo de todo el proceso planteado en la planta de tratamiento de

agua residual, y con las calidades del agua residual reportada por la Empresa

Pública de Alcantarillado de Santander S.A (EMPAS).

La utilización de 2 software para realizar la evaluación del potencial energético son

las herramientas numéricas utilizadas para obtener los resultados de la

transformación del DQO en biogás y la fijación del CO2 atmosférico en las

microalgas; los resultados de las aplicaciones se muestran a continuación.

4.1 Resultados de la aplicación de los software.

Los software utilizados, como se descripción en la parte metodológica, fueron

LabVIEW, en su versión 2012, y ASPEN PLUS en su versión 7.3, en este orden

mostramos los resultados de cada simulación.

4.1.1 Resultados de aplicación de LabVIEW.

La aplicación de LabVIEW se consideró necesaria, para observar los flujos en

movimiento dentro del sistema propuesto, mediante una interfase gráfica, que este

software permite, la cual muestra explícitamente los movimientos del agua residual

y de los lodos residuales hacia los reactores y las demás unidades de tratamiento.

Para tener una idea más clara del sistema se presenta la figura XX, en la cual se

describe el sistema de tratamiento de aguas residuales propuesto, dentro del cual

se muestra la conformación de los flujos de materia tanto líquida, sólida y

gaseosa.

La interfase gráfica del software nos integra las corrientes de tratamiento de agua

con las corrientes de biogás y las de aprovechamiento del cultivo microalgal, con

los sentidos de flujo y transferencias.



Figura 13: Sistema de tratamiento de agua residual en trabajo pleno

Fuente: Autor



La simulación del sistema se ha realizado en el software LabVIEW, el cual permite

ver los diferentes flujos en el sistema y cómo son conducidos a diferentes

sistemas de tratamiento para cosechar los sólidos, líquidos y gases útiles para uso

energético.

En la figura 13 se muestra el sistema trabajando a toda carga, con reactores

arrancados y en su rango de producción regular.

4.1.2 Resultados de ASPEN PLUS 7.3.

Los resultados de esta herramienta se corrieron en 2 flujos, un flujo es el sistema

de tratamiento de agua con sus entradas y salidas, y el otro es el reactor de lodos,

esto debido a las diferencias y complejidades de esta corriente, y especialmente

porque el reactor de lodos es el mayor consumidor de energía, pues necesita calor

para calentar el lodo, y también consume energía eléctrica para el suministro del

lodo al reactor mediante bombas de tornillo.

En la figura 14 se presenta la primera corriente de tratamiento de agua, con sus

flujos, dentro del esquema que representan las operaciones de tratamiento del

agua residual.

Figura 14: Corriente de tratamiento de agua y salidas de biogás.

Fuente: autor



Esta simulación aprovecha los datos de procesos productivos ya existentes,

específicos para generación de biocombustibles, este software ha sido

ampliamente utilizado para simulación de procesos biológicos complejos, con los

aprovechamientos energéticos subsecuentes a la producción del biocombustible o

a su materia prima (Silva Lora. E, 2010).



Tabla 10: Balance de 100 kg de DQO procesado por digestión anaerobia.

Fuente: autor



En esta tabla se muestran los valores de referencia en el balance de materia, con

una base de cálculo de 100 kg de DQO en condiciones anaerobias; estos valores

se toman de referencia, para realizar los balances mayores, sin adicionar

correctores de escalamiento, pues esta complejidad no está dentro de los

alcances del proyecto.

En el siguiente esquema salido de ASPEN PLUS, se evidencia la parte

complementaria del sistema de aprovechamiento energético, integrando el tren de

tratamiento de agua residual, con la integración de las líneas de lodos,

alimentadoras del reactor de lodos.

Figura 15: Esquema del sistema de aprovechamiento energético de las

aguas residuales

Fuente: autor

El reactor de lodos se integra recibiendo los lodos procedentes del desarenador,

los lodos biológicos del UASB, que van siendo purgados y los residuos de la

separación lipídica de la biomasa microalgal.



Los resultados son procesados según la cinética definida en el modelo ADM 1,

planteado, y con las eficiencias estándar, para proceso no automatizados.

En la simulación con ASPEN PLUS se disponen en la tabla 15, con la integración

de la línea de tratamiento de biogás.

En esta tabla se muestran los valores de referencia en el balance de materia, del

reactor de lodos integrado al sistema de tratamiento UASB, sumando todas las

partes.

4.2 Biogás Generado.

El biogás proyectado en la evaluación del potencial energético de este sistema de

tratamiento de agua residual se presenta en una serie de tablas, las cuales

contienen la capacidad de la planta de generar biogás de los reactores UASB y del

reactor de lodos, con calidades estándar de biogás.

El primer resultado expuesto tiene que ver con la producción de la planta

proyectada en el capítulo 2, para la cual se toman criterios de diseño para 1 m3/s,

esto obedeciendo a la consideración de operar sistemas de tratamiento con

caudales moderados, distribuidos en el área de influencia de la población servida

en la AMB.



Tabla 11: Resultados de la simulación con la integración de la línea de lodos.

Fuente: autor.



En la tabla 16 se presentan los resultados de producción de biogás, relacionado

directamente con las cantidades de DQO reportadas por EMPAS, para la AMB.

Tabla 12: producción de biogás del sistema de tratamiento de 1 m3/s

Fuente: autor

Tabla 13: Totales anuales de biogás.

EL segundo resultado que se muestra es la producción de biogás, que se podría

generar si toda el agua residual de la AMB se sometiera al sistema de tratamiento

sugerido en este estudio, describiendo los probables rendimientos por día de

operación y también por año; esto para observar los volúmenes de biogás que se

podrían incorporar al uso dentro de la AMB.

En la tabla 19 se muestra la producción de biogás probable para las cantidades de

agua residual proyectada por EMPAS, para el periodo 2008 a 2015, haciendo

énfasis en la exclusiva utilización del agua residual municipal proveniente de

usuarios domésticos.

Tratamiento Aporte Unidades Caudal Biogás/día Unidades

UASB 13,17 t-DQO 1 m3/s 8428,8 m3

Laguna 1,04 t-DQO 1 m3/s 665,6 m3

Otros 1,1 t-DQO 1 m3/s 704 m3

Total 15,31 t-DQO 1 m3/s 9798,4 m3

Tratamiento Biogás/año Unidades

UASB 3076512 m3

Laguna 242944 m3

Otros 256960 m3

Total 3576416 m3



Tabla 14: producción de biogás del sistema de tratamiento de con toda la

carga del área metropolitana

Fuente: autor

Tabla 15: Totales anuales de biogás, con carga completa

Fuente: autor

4.2.1 Balance de masa de la producción de biogás.

Para poder observar el comportamiento de la transformación de los contaminantes

del agua residual en biogás se realizó el balance de masa de la operación anual,

teniendo en cuenta la totalidad del agua generada por los usuarios domésticos en

la AMB.

En la tabla 18 se muestra la masa entrante al sistema de tratamiento, y la que sale

de él, con las condiciones de operación determinadas por la cinética planteada en

el capítulo 2, aplicando los rendimientos estándar de los 2 rectores, teniendo en

cuenta los tiempos de retención hidráulica y las temperaturas definidas para el

UASB como temperatura ambiente y para el reactor de lodos, como una

temperatura termofílica, entre 52ºC y 55ºC (Jenicek, 2012), que se logra

conduciendo parte del calor generado con la combustión del biogás, llevando el

Tratamiento Aporte Unidades Caudal Biogás/día Unidades

UASB 31,16 t-DQO 1 m3/s 19942,4 m3

Laguna 3,73 t-DQO 1 m3/s 2387,2 m3

Otros 3,89 t-DQO 1 m3/s 2489,6 m3

Total 38,78 t-DQO 1 m3/s 24819,2 m3

Tratamiento Biogás/año Unidades

UASB 7278976,00 m3

Laguna 871328,00 m3

Otros 908704,00 m3

Total 9059008,00 m3



calor residual de la producción eléctrica hasta la masa entrante al reactor y un

intercambiador del contenedor, esto, para mejorar la producción del biogás (Water

Environment Federation., 2009).

La calidad del biogás está determinada por las condiciones de contenidos de CO2,

H2S, Amonio y humedad presentes en el gas; para llevar a cabo el balance de

masa, se consideró la densidad del biogás en 1,2 kg/m3, teniendo en cuenta un

intervalo entre 0,8 y 1,3 kg/m3 (Organización Latinoamericana de Energía

"OLADE", 2011), siendo esta la densidad sugerida, a presión atmosférica, como

trabajan la mayoría de los reactores de agua residual y de lodos es importante

tener en cuenta que el biogás se encuentra a una presión ligeramente mayor a la

atmosférica, por esto fluye hacia los espacios de menor presión.

Tabla 16: Balance de masa anual del sistema de tratamiento de agua

residual.

Fuente: autor

Masa entrante

Agua 66172795,5 t/año

DQO no transformado 9676,15 t/año

DQO transformado 11373,4 t/año

DQO fijado por microalgas 1361,45 t/año

Total DQO transformado 12734,85 t/año

Total 66195206,45 t/año

Masa saliente

Metano 3982,85 t/año

Dióxido de Carbono 6571,73 t/año

Sulfuro de hidrógeno 70,44 t/año

Amonio 232,31 t/año

DQO no digerido 9676,15 t/año

Agua residual tratada 66174672,97 t/año

Total 66195206,45 t/año



La cantidad de biogás obtenido en el proceso de digestión anaerobia, derivada de

la actividad del reactor UASB y del Reactor de Lodos, debe ser acopiado, para ser

transformado en formas de energía de uso final, con la producción de kWh de

calor y kWh de energía eléctrica; para este efecto se tienen en cuenta la eficiencia

de la conversión del biogás

4.2.2 Balance de energía de la producción de biogás.

El balance de energía de la producción de biogás es la parte energética más

importante de la evaluación del potencial energético, esto debido a varias

condiciones; estas tienen que ver con los volúmenes de producción de biogás del

sistema de tratamiento, otra es que mucha de la tecnología requerida para

implementar este aprovechamiento energético ya se encuentra disponible, o ya ha

sido probada su efectividad en estudios pilotos, y en algunas zonas del mundo se

han desarrollado parte de estos dispositivos de producción de biogás, el

endulzamiento del mismo y todo el acondicionamiento, para hacer del biogás una

alternativa energética real.

En la tabla 21 se muestran las cantidades de biogás producidas diariamente, y las

cantidades brutas de conversión de este biogás, hacia formas de energía calórica

y de energía eléctrica, que puedan suplir el gasto energético de la planta y tomar

el excedente, para ofrecerlo a los consumidores de energía eléctrica dentro del

sistema interconectado.

Es importante aclarar que las condiciones de transformación energética, tienen

incluidas las pérdidas, generadas por la combustión en el caso de la producción

de energía eléctrica, que para el caso se toma de un 40% de eficiencia, contando

con un sistema de ciclo combinado, para aprovechamiento de altas y medias

presiones con turbinas adecuadas para la capacidad calorífica del biogás,

determinada en 4,5 kW/m3 para la calidad del biogás con características de gas

pobre (Torres, 2012), para el cálculo de la energía transformada, el calor residual y

las pérdidas energéticas dadas por la fricción en la transmisión mecánica y otras

pérdidas propias del ciclo termodinámico.



Tabla 17: Proyección de la producción energética asociada al consumo del biogás.

Fuente: autor

De estos totales se debe sustraer la cantidad de energía en forma de calor y de

electricidad que se van a usar en la operación del sistema de tratamiento, pues la

primera beneficiada con la producción energética debe ser la planta de tratamiento

de agua residual; cabe anotar que durante el periodo de diseño del sistema se

evitó al máximo el uso de energía, en lo referente al transporte de agua residual

dentro de las unidades de tratamiento, esto se puede asumir, debido a que la

AMB, se encuentra en una altura entre los 702 y los 1100 msnm, lo cual asegura

que la conducción del agua residual puede llevarse a cabo por gravedad, y se

cuenta con una topografía que permite este flujo, con adecuaciones ingenieriles de

baja complejidad.

La planta de tratamiento de agua potable se integra en 2 formas de consumo de

energía, el consumo de calor, requerido para mantener 55ºC en el reactor de lodo

mediante intercambiadores de calor, y en el tratamiento del lodo, para realizar el

secado rápido del mismo; el otro consumo de la planta se encuentra en la energía

eléctrica, en este aspecto se tienen 4 usos generales con cargas aproximadas,

iluminación, oficinas, laboratorio y bombas de conducción de lodo; estas bombas

se consideran, debido a que los lodos se depositan en las partes profundas de las

unidades de tratamiento que las producen, y el reactor se debe tener a nivel de

piso, para disminuir la complejidad de su mantenimiento, adicionalmente a esta

condición las bombas funcionan en serie y en paralelo, con alternancia.

Biogás día 24819,2 m3

Metano 10910,0 kg met masa CH4

Energía 111686,4 kWh Total

E. electrica 44674,6 kWh Energía de uso

E. calorica 67011,8 kWh Calor residual

Producción diaria de biogás y energía



Las bombas consideradas en este balance son bombas de 9 kW, de las cuales se

cuenta con 6 unidades, dispuestas en pares, en los 3 sectores de producción de

lodos, el desarenador, el reactor UASB y la separación lipídica de la cosecha de

microalgas; para las características reológicas del lodo se sugieren bombas de

tornillo, pues estas dosifican el lodo en caudales controlados, utilizan bajas

revoluciones por minuto y son las mejores para elevar este tipo de fluido en alturas

inferiores a los 20 metros en vertical, este fluido presenta características no

newtonianas.

En la tabla 22 se muestran los consumos energéticos en forma de calor y

electricidad requerida para el funcionamiento del sistema.

Tabla 18: Consumos energéticos del sistema de tratamiento.

Fuente: autor

Para establecer la cobertura de la energía del biogás, se debe realizar el balance

energético, cabe anotar que el presentado en la tabla 22, se define con toda la

carga de agua residual reportados por EMPAS, esto para establecer el potencial

energético del biogás, componente principal del presente estudio; y aportante

mayoritario de esta evaluación.

Tratamiento Cantidad Unidades Tratamiento Cantidad Unidades

Iluminación 458 kWh diarios

Oficinas 390 kWh diarios

Laboratorio 320 kWh diarios

Bombas 5670 kWh diarios

Total 41950 kWh diarios Total 6838 kWh diarios

Secado - Lodo 6870 kWh diarios

Consumos energéticos del sistema

Consumos caloríficos del sistema Consumos eléctricos del sistema

Reactor - Lodo 35080 kWh diarios



Tabla 19: Balance energético

Fuente: autor

En el balance se determinan 2 excedentes correspondientes a los excedentes de

calor y electricidad, que se expresan en 25MW de calor diario y en 37,8MW de

electricidad al día; este balance se considera para una carga diaria de 57.675 kg

de DQO de carga diaria, con una cobertura del 100% del consumo energético de

la planta; los requerimientos de intercambio de calor son moderados al tener bajas

fluctuaciones de temperatura en todo el año.

Es importante anotar que en el balance no se consideran las salidas de operación

de las unidades generadoras de biogás, ni de los equipos de generación eléctrica,

factor de corrección no aplicado en este estudio, esto debido a que no se describe

un sistema de operación y mantenimiento del sistema de tratamiento de agua ni

del sistema de generación de energía final.

4.3 Lípidos de interés energético.

La producción de microalga en el sistema de aprovechamiento energético

planteado en esta evaluación se considera un aporte adicional, el cual coadyuva a

la elevación del DQO del reactor de lodos, y por otra parte se considera la

producción de lípidos, que pueden ser cosechados y luego transformados a

biodiesel, pero para el primer caso, los aportes de la biomasa microalgal ya se

consideran en el balance másico presentado en el numeral 4.1, y solo resta por

presentar la producción del segundo biocombustible, como una forma preliminar

de usar esta materia.

Producción 67011,8 kWh diarios Producción 44674,56 kWh diarios

Consumo 41950,0 kWh diarios Consumo 6838,00 kWh diarios

Excedente 25061,8 kWh diarios Excedente 37836,56 kWh diarios

Balance de Energía

Calor Electricidad



Las factibilidades para la producción de biodiesel microalgal están todavía

cargadas de incertidumbre, debido a que las cantidades de energía necesarias

para la cosecha, concentración, separación y obtención de biodiesel están en

camino de normalizarse (Woertz, 2009), y a diferencia del biogás no cuentan con

escalamientos de depuración de aguas, con fines energéticos.

En la tabla 24 se presenta la productividad de la microalga para generar lípidos,

con respecto al DQO, mediado por la actividad fotosintética, y gobernado por las

condiciones climáticas especialmente de la radiación solar incidente en la laguna.

Tabla 20: Producción aproximada de biodiesel

Fuente: autor

EL balance de la producción de lípidos nos indica que se producen 6,86 toneladas

de lípido diario, con una concentración de 3,5 toneladas de biodiesel en el cultivo,

circunstancia que sólo se aprovecharía de poder costear la actividad productora

con los costos de inversión de la cosecha y separación de los lípidos, y modificado

por el precio del biodiesel en el mercado local.

El poder calorífico del biodiesel de algas se calcula en 41 MJ/ kg (Demirbas, Use

of algae as biofuel sources., 2010), o lo que es igual 0,28 kW, en este escenario el

potencial energético del biodiesel salido de este proceso produce 980 kW diarios

de energía.

6862,73 kg/día 224121,14 m3

3499,99 kg/día 57670 kg/día

Caudal de agua día

Balance de lipidos

Lípidos

Biodiesel DQO tratado



4.4 Modelo matemático de producción de biogás del sistema de

aprovechamiento energético.

El modelo matemático de la producción del biocombustible principal en este

estudio está basado en la capacidad de los microorganismos de adaptarse y

digerir los compuestos metabolizables del DQO, y transformarlos en su mayoría

en biogás; el modelo tiene su base en la ecuación general que se muestra a

continuación:

Ecuación 8 𝐂𝐧𝐇𝐚𝐧𝐎𝐛𝐍𝐳𝐒𝐱+𝐇𝟐𝐎 = 𝐝𝐂𝐎𝟐 + 𝐞𝐂𝐇𝟒 + 𝐟𝐇𝟐𝐒 + 𝐠𝐍𝐇𝟑

Estas ecuaciones igualmente afectan el balance realizado en el numeral 4.1, y las

sustancias de interés se definen por la abundancia de estas en el biogás

El modelo propuesto por nuestra evaluación sugiere que la distribución de la masa

del DQO hacia el metabolismo de los microorganismos que digieren el DQO y lo

transforman en Biogás y nuevas células.

Ecuación 9 𝐦(𝐂𝐧𝐇𝐚𝐧𝐎𝐛𝐍𝐳𝐒𝐱) + 𝐦𝐇𝟐 𝐎 = 𝒎(𝑪𝑯𝟏,𝟕𝑶𝟎,𝟓 𝑵𝟎,𝟐 ) + 𝒎(𝑪𝑶𝟐 + 𝑪𝑯𝟒 +

𝑯𝟐𝑺 + 𝑵𝑯𝟑)𝑼𝑨𝑺𝑩 + 𝒎(𝑪𝑶𝟐 + 𝑪𝑯𝟒 + 𝑯𝟐𝑺 + 𝑵𝑯𝟑)𝑹 − 𝒍𝒐𝒅𝒐𝒔 + 𝑫𝑸𝑶 𝒏𝒐 𝒅𝒊𝒈𝒆𝒓𝒊𝒃𝒍𝒆

Teniendo en cuenta que el DQO se interpreta como CnHanObNzSx, y la masa que

reacciona en más de un 95%; las cantidades de materia que producen el biodiesel

de la biomasa microalgal, no se toma en cuenta, debido a su baja participación en

el total de la energía cosechada; y el modelo se basa principalmente en la

generación del biogás como el mejor productor de energía a partir del agua

residual municipal.

La ecuación 21 evidencia la transferencia del DQO, hacia los distintos dispositivos

generadores de biogás, el segundo miembro de la ecuación manifiesta la

distribución del biogás generado en las 2 unidades generadoras y la transferencia

hacia la biomasa representada en la microbiota, en el caso de la digestión

anaerobia es baja la producción de sólidos.



CAPITULO 5

5. Conclusiones y Recomendaciones.

5.1 Conclusiones.

EL sistema de tratamiento de agua residual con aprovechamiento energético de

biogás y biodiesel se estableció de acuerdo con los criterios de diseño de la RAS

2000, con la definición de un tratamiento preliminar, tratamiento primario, un

tratamiento secundario; La propuesta de la captación del biogás, la limpieza del

mismo y la extracción de lípidos de la cosecha de las microalgas de la laguna de

alta tasa, son las operaciones que establecen la capacidad técnica de aprovechar

estos efluentes del tratamiento y poder transformarlos en energía de uso.

El potencial de generación de biogás del sistema de tratamiento diseñado para 1

m3/s es de 9.798 m3 de biogás diario, en condiciones brutas, el potencial del

tratamiento de toda la carga contaminante de la AMB es de 24.819 m3 de biogás

diario, equivalentes a 29,78 toneladas de biogás, contando únicamente con los

aportes de origen doméstico, a carga completa y utilizando 2 procesos de

digestión anaerobia, el reactor UASB y el reactor de lodos.

Las condiciones de operación de la laguna de alta tasa se definen en un tiempo de

retención hidráulica de 48 horas, con piscinas en serie y en paralelo, con

capacidad de albergar 181.356 toneladas de agua residual al día, con una

profundidad media de 1,5 metros, y con dispositivos de separación de la biomasa

microbiana, mediante concentración y filtración del medio, para la cosecha de la

biomasa y su posterior utilización.

La potencialidad de producción de biodiesel del tratamiento de agua residual

efluente de un reactor anaerobio tipo UASB, es de 3,5 toneladas de biodiesel al

día, esto contando con las operaciones necesarias para la separación de los

lípidos y la transesterificación de los mismos; esta operación tiene una viabilidad

económica que ha sido cuestionada, pero técnicamente es factible realizar el

aprovechamiento.



El potencial energético combinado resulta de la sumatoria de 111686 kWh de

energía total producida por el biogás con los 980 kWh de energía producidos por

el biodiesel el potencial energético total del sistema evaluado es de 112666 kWh

diarios, de los cuales el biodiesel representa únicamente el 0,87% de la energía

total generada, y el biogás el 99,13% del total del potencial energético.

La baja participación del biodiesel en el potencial energético lo hace una sustancia

de bajo interés por el costo energético y económico que acarrea su extracción; en

el escenario de la participación energética, tiene mucho más sentido industrial

agregar el alga al reactor de lodos, pues la participación en el potencial energético

está alrededor de los 11.200 kWh, mucho mayor que su contraparte lipídica.

La casi totalidad de las operaciones planteadas en esta evaluación, para el

tratamiento, depuración y endulzamiento del biogás están disponibles en el

mercado tecnológico industrial. Parte de estas opciones se encuentran como

equipos de importación, pero estas transacciones generan una dependencia

tecnológica, luego es importante desarrollar equipos de fabricación local o

regional, de costos moderados, que tengan poca dependencia tecnológica, y con

una apropiación de la tecnología de ella que se aplique eficientemente a nuestra

condición tropical y microclimática.

Colombia es un país con disponibilidad de recursos energéticos, pero no puede

sostenerlo indefinidamente, pues la tecnología limita nuestras posibilidades, el

aprovechamiento energético de los residuos líquidos puede ayudar a proveer una

parte de la necesidad energética en las ciudades, pues puede ser producida

dentro de su perímetro urbano o suburbano, esto disminuye los impactos

ambientales y económicos de una parte del suministro en gas, como muestran los

resultados.

La oportunidad de aprovechar los residuos no ha sido una costumbre en el país,

fruto de una educación deficiente frente a los recursos naturales y el medio

ambiente, la promoción de la transformación de residuos en nuevas materias



primas puede ayudar a establecer una nueva forma de ver nuestro entorno, y así

mejorar el estado de los recursos naturales disponibles.

Los residuos líquidos y sólidos son un problema en todas las ciudades de

Colombia, y no se encuentran soluciones evidentes ni fáciles en el corto plazo,

circunstancia que conduce a las administraciones a buscar soluciones

tecnológicas en países desarrollados, provocando otros problemas, como la

dependencia tecnológica y profundiza nuestra crisis educativa, que no soporta el

bienestar de los habitantes, pues no se genera el conocimiento suficiente, para

obtener resultados satisfactorios.

5.2 Recomendaciones.

Es necesario ampliar el conocimiento del aprovechamiento energético de las

aguas residuales municipales, pues estas sustancias poseen una variabilidad

determinada por las costumbres de consumo, especialmente en el sector

alimentario y de aseo personal.

Se hace conveniente estudiar las afectaciones microclimáticas a los reactores, y

establecer el impacto de las épocas de lluvia y sequía, pues en la infraestructura

más antigua de la AMB se presentan alcantarillados combinados, que en tiempo

de lluvia diluyen la carga de entrada a los reactores, provocando fenómenos de

lavado y pérdida de sustrato (DQO), afectando el estado de equilibrio del reactor,

muy necesario por tratarse de un reactor continuo.

La adición de los efluentes industriales es una tarea importante, pues dependiendo

de sus características estos se pueden potenciar o reducir las cantidades de

bicombustibles que puede proveer un sistema de aprovechamiento energético,

como el expuesto en este trabajo, y adicionalmente, daría nuevas ideas sobre la

optimización del funcionamiento del sistema y el desarrollo de todo su potencial.

Hace falta intensificar el uso de las herramientas de software para estos procesos

complejos, pues esta práctica puede fortalecer las decisiones sobre el uso de las



tecnologías de depuración de desechos y las tecnologías energéticas, basadas en

el aprovechamiento de residuos.

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