Читать книгу Tecnologías limpias y medio ambiente en el sector industrial peruano - Arístides Sotomayor - Страница 20

En la actualidad, existen tecnologías avanzadas en el tratamiento del agua o efluentes que han permitido mejorar el diseño de los procesos y lograr resultados óptimos en menor tiempo y con menos costo, a fin de cubrir el incremento de la demanda de los diferentes sectores, dependiendo, además, de la disponibilidad del recurso hídrico.

Las tecnologías de digestión anaeróbica se clasifican según los métodos utilizados y en función de su capacidad para mantener las altas concentraciones de microorganismos en el reactor (Callejo, 2002). En el tratamiento de efluentes, algunos reactores operan en procesos discontinuos (en lotes o batches) o en procesos continuos para grandes volúmenes de efluentes; por ello, en el diseño de digestores, es fundamental tener en cuenta los parámetros operacionales y ambientales relacionados con el efluente que se va a tratar, a fin de lograr un rendimiento óptimo del proceso. Esto es, mantener un pH neutro o ligeramente alcalino para evitar la acidificación, así como también garantizar un adecuado suministro de nutrientes para asegurar el crecimiento de los microorganismos y la reducción del contenido de sustancias tóxicas e inhibidoras. Los parámetros operacionales se refieren a las condiciones de trabajo de los reactores, como la temperatura, que depende de la calidad del efluente y del tipo de microorganismos o bacterias empleadas, que pueden ser criofílicas, mesofílicas o termofílicas (véase la tabla 1.6). Asimismo, es importante la agitación para favorecer el metabolismo de las bacterias que se encuentran en el sustrato, así como para homogeneizar todo el sistema de reacción y reducir el tiempo de retención hidráulica (TRH).

Tabla 1.6

Tipos de microorganismos según rangos de temperatura

Tipos de microrganismos	Rangos de temperatura
Valor normal (ºC)	Valor óptimo (ºC)
Criofílica	–2-30	12-18
Mesofílica	20-45	25-40
Termofílica	45-75	55-65

Elaboración propia a partir de “Microbiología en los sistemas de tratamiento de aguas residuales” (s. f.)

La oxidación anaeróbica requiere de un conjunto de microorganismos anaeróbicos que son los que subsisten en ausencia de oxígeno, y su metabolismo es muy diferente del que realizan los microorganismos aeróbicos. El proceso anaeróbico es muy complejo tanto por el número de reacciones bioquímicas que tienen lugar en esta operación como por la cantidad de microorganismos involucrados en ellas o por las diversas reacciones que se llevan a cabo en forma simultánea. El proceso de descomposición anaeróbica de la materia orgánica se efectúa en cuatro etapas esenciales: hidrólisis, etapa acidogénica o fermentativa, etapa acetogénica y etapa metanogénica. En la figura 1.9, se indican los valores relativos de sustancias orgánicas y tipos de bacterias que participan en cada etapa hasta la obtención final del metano gaseoso. A continuación, se realiza una breve descripción de cada una de las fases.

Figura 1.9

Tratamiento de efluentes industriales y aguas residuales mediante digestores anaeróbicos

Elaboración propia a partir de Callejo (2002)

a. Etapas de la digestión anaeróbica

• Hidrólisis. En esta etapa, cierto tipo de bacterias, denominadas hidrolíticas, son las primeras en procesar y preparar el material para el siguiente paso de descomposición. Para ello, segregan enzimas que hidrolizan los polímeros orgánicos como celulosa, carbohidratos, lípidos o grasas, y proteínas; los carbohidratos se convierten en azúcares, las proteínas en aminoácidos y los lípidos son hidrolizados y transformados en ácidos grasos de cadena más corta.

• Acidogénesis o fermentación. Conforme se lleva a cabo el proceso de hidrólisis, si las condiciones son apropiadas, se produce la acidogénesis por acción de las bacterias acidogénicas. Los azúcares de cadena corta, los aminoácidos y los ácidos grasos formados en la etapa anterior se convierten en alcoholes y ácidos grasos volátiles de cadena corta, como ácido acético, butírico y propiónico, principalmente. En esta etapa, la materia orgánica que se encuentra en forma de gases se compone en promedio de un 80 % de CO₂ y en un 20 % de H₂, que incluye en pequeñas cantidades el amoniaco (NH₃).

• Acetogénesis. En esta etapa, la secuencia del proceso anaeróbico implica la conversión de los ácidos y alcoholes carboxílicos formados en la etapa anterior en hidrógeno, dióxido de carbono y ácido acético.

• Metanogénesis. Es la última etapa de descomposición de la materia orgánica, donde la secuencia del proceso de metabolismo anaeróbico microbiano y las bacterias metanogénicas acetoclásticas convierten el ácido acético/acetatos, metanol y aminas en metano (CH₄) con un 100 % de contenido. Las bacterias metanogénicas hidrogenotróficas producen el metano a partir del dióxido de carbono, el hidrógeno y el ácido fórmico presentes.

b. Tipos de digestores anaeróbicos

Existen diversos tipos de digestores anaeróbicos, que operan en procesos continuos y discontinuos, así como de mezcla completa sin agitación y con recirculación. La figura 1.10 muestra un esquema de este tipo de reactor, que es el más simple y de mayor uso. Allí el efluente con carga orgánica y los lodos con bacterias se mantienen dentro del digestor para cumplir la función de descomposición de la materia. El metabolismo, en la zona de lodo en digestión, produce gases que tienden a subir y generan espuma en la superficie líquida, donde la fuerza de la gravedad permite la sedimentación de los lodos y el efluente no recircula. Para acelerar el proceso de digestión, se puede colocar un sistema de agitación con paletas para hacer que la zona donde se encuentra el lodo en digestión aumente en volumen; parte de los lodos son arrastrados por el efluente para ser separados por decantación, mientras que el efluente regresa al digestor; por lo tanto, existe un proceso de recirculación (Ministerio de Industria, Turismo y Comercio de España, 2007).

Los digestores para proceso continuo normalmente son de forma cilíndrica, donde el efluente fluye de abajo hacia arriba, mientras que las bacterias están alojadas en biopelículas adheridas a diversos tipos de soporte, como filtros, películas, rellenos de columna y discos de PVC. El metabolismo de las bacterias incluye su reproducción y muerte, lo que da como resultado el aumento de volumen de los lodos. Por eso, se requiere la separación del excedente para evitar el colapso del sistema. Una de las formas aplicadas para sustituir los rellenos de lodos en la columna de digestión es la técnica de lechos fluidos; en este caso, el sustrato debe ser floculado para formar un manto de lodos que se mantenga en suspensión por la inyección del efluente tratado desde la parte inferior, a fin de homo-geneizar el material para facilitar el proceso de digestión.

Figura 1.10

Sistema de tratamiento de efluentes mediante digestor anaeróbico con y sin recirculación

Elaboración propia

En la actualidad, el reactor anaeróbico con lodos y de flujo ascendente, en inglés upflow anaerobic sludge blanket (UASB) y en castellano reactor anaeróbico de flujo ascendente (RAFA), se utiliza con bastante éxito en el proceso de efluentes en la industria agroalimentaria. En el esquema de la figura 1.11, se puede observar el funcionamiento del proceso de digestión, así como las principales partes que lo conforman. En el interior del digestor, se encuentra un manto de lodos suspendido debido al ingreso del efluente con carga orgánica; asimismo, los flóculos están recubiertos de la biopelícula y se produce la digestión. Los gases húmedos se descargan por la parte superior, por donde también sale el efluente tratado. El metabolismo de las bacterias genera, además de la reducción de la carga orgánica, el incremento de nuevas bacterias, por lo que se debe realizar una purga para retirar el excedente de lodos. En este tipo de diseño básico de digestores UASB, se están desarrollando mejoras para aumentar el rendimiento del sistema, tales como la recirculación del efluente tratado para facilitar la operación del manto de lodos, o el ingreso del efluente por encima del nivel del manto para producir turbulencia y contribuir a separar los gases en menos tiempo, a fin de poder recuperar el biogás para aprovecharlo como combustible; igualmente, se debe mantener la temperatura en el interior del digestor (Rodríguez, s. f.).

Figura 1.11

Sistema de tratamiento de efluentes mediante digestor anaeróbico

Elaboración propia

En el tratamiento de efluentes y aguas residuales, hay alternativas que permiten operar la biodigestión anaeróbica en dos etapas, que se describen brevemente a continuación.

• Biodigestión anaeróbica en dos etapas. Consiste en un primer reactor con alto TRH, en el cual se favorece la hidrólisis, seguido de un segundo reactor con menor TRH, donde tiene lugar la digestión de la materia orgánica disuelta y los ácidos producidos en la etapa anterior.

• Biodigestión anaeróbica en dos fases. A diferencia de la biodigestión anaeróbica en dos etapas, en lugar de un segundo reactor se utilizan dos reactores: uno para la fase líquida y otro para la fase gaseosa. Se puede separar la etapa de hidrólisis y la acidogénica de las etapas acetogénica y metanogénica para gases y metanogénica e hidrogenotrófica para líquidos. En la figura 1.12, se puede apreciar la secuencia del proceso de ambas biodigestiones.

Figura 1.12

Alternativas de tratamiento de efluentes mediante digestión anaeróbica por etapas

Elaboración propia