Reactor anaerobio para la producción de biogás

Reactor anaerobio para la producción de biogás

Reactor anaerobio para la
producción de biogás aprovechando
las aguas del colector de la
Taboada – Callao
Huayllaro Baldeón, José; Valderrama
Romero, Andrés; Quispe Gonzales, César
REACTOR ANAEROBIO
PARA LA PRODUCCIÓN
DE BIOGÁS APROVECHANDO
LAS AGUAS DEL COLECTOR
DE LA TABOADA – CALLAO
Primera edición
Enero, 2012
Lima - Perú
© Huayllaro Baldeón, José
Valderrama Romero, Andrés
Quispe Gonzales, César
PROYECTO LIBRO DIGITAL
PLD 0454
Editor: Víctor López Guzmán
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Lima - Perú
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Lima - Perú, enero del 2011
“El conocimiento es útil solo si se difunde y aplica”
Víctor López Guzmán
Editor
REACTOR ANAEROBIO PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOGÁS
APROVECHANDO LAS AGUAS DEL COLECTOR DE LA TABOADA – CALLAO
1
1
Huayllaro Baldeón, José, 2Valderrama Romero, Andrés, 3Quispe Gonzales, César
Centro de Desarrollo e Investigación en Termofluidos (CEDIT) - UNMSM; email: [email protected]
Departamento Académico de Ingeniería Mecánica de Fluidos - UNMSM; email: [email protected]
2,3
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RESUMEN
El presente trabajo propone el rediseño para la construcción de un reactor anaerobio basado en los modelos
UASB (RAFA) – FAFA, con el fin de optimizar las condiciones del colector la Taboada -Callao. Las aguas
residuales serán inoculadas en un tanque de pre-concentración bajo el principio de funcionamiento del
“depósito de Mariotte”, el cual asegura un caudal mínimo y permanente, necesario para el buen
funcionamiento del reactor; la temperatura será elevada hasta el punto óptimo de trabajo, mediante un
intercambiador de calor de contacto indirecto; llevándose el control de parámetros: pH, DBO5, DQO, sólidos
totales. El producto que se obtiene de la reacción es biogás, el mismo que será analizado para determinar
algunas de sus características físico-químicas (C/H/O, punto de inflamación, poder calorífico, otros). Los
resultados determinarán su utilidad en la generación de energía térmica. Se espera encontrar una
concentración mínima de 60% de metano y 40% de otros gases (CO2, N2, H2S, SOx).
Mediante este trabajo de investigación, se demuestra que las aguas residuales que desembocan al mar a
través del colector la Taboada –Callao, pueden ser aprovechadas para obtener biogás en cantidades
suficientes como para cubrir una parte de la creciente demanda de energía, que actualmente viene siendo un
serio problema en las grandes ciudades.
Palabras clave: Reactor anaerobio, biogás, aguas residuales, energía térmica
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ABSTRACT
This paper proposes the redesign for the construction of an anaerobic reactor UASB based in models
(RAFA) - FAFA, to optimize the conditions of the collector's Taboada-Callao. Wastewater will be inoculated
in a pre-concentration tank under the operating principle of the "deposit of Mariotte," which guaranteed a
permanent minimum flow necessary for the best functioning of the reactor; the temperature is raised until an
optimum operating point through of the indirect contact heat exchanger, carrying control of the pH, BOD5,
COD and total solids. The resulting product of the reaction is biogas, the same to be analyzed to determine
some of their physical-chemical properties (C/H/O, flash point, heating value, etc.). The results will
determine their usefulness in thermal power generation. It expects to find a minimum concentration about
60% of methane and 40% of the other gases (CO2, N2, H2S, SOx).
By means this research, shows that the wastewater flow to the sea, through the collector's Taboada-Callao,
can be utilized for biogas production in sufficient quantities to provide part of the growing demand for
energy, that the present time is being a serious problem in the cities.
Keywords: anaerobic reactor, biogas, sewage, thermal energy
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INTRODUCCION
Los bruscos cambios en el precio internacional del
petróleo, la inestabilidad política de las naciones
productoras, el aumento en la concentración de los
gases de efecto invernadero y la creciente
contaminación ambiental conforman un escenario
donde es inevitable la búsqueda de alternativas
energéticas renovables. En todos los países existe
una intensa producción científico – tecnológica
relacionada con las energías solar, eólica,
geotérmica, hidroeléctrica y mareomotriz. Todas
ellas tienen como objetivo la generación de
energía eléctrica o energía térmica, sin embargo;
el 40% del consumo mundial de energía y el 30%
de las emisiones contaminantes están asociadas a
combustibles fósiles para transporte de vehículos,
básicamente gasolina y diesel. Así mismo, en los
países en vías de desarrollo, los residuos sólidos
urbanos (RSU) constituyen un problema
ambiental, económico y social. Por ejemplo, en
México; en el año 2008 el Instituto Nacional de
Estadística Geografía e Informática (INEGI)
reportó que de toda la producción nacional de
RSU, el 30% no tiene una disposición final
adecuada y acorde con la ley, existiendo botaderos
a cielo abierto, al igual que sitios que pretenden
ser rellenos sanitarios (RESA). Hace ya 40 años
que se realizó la primera obra de este tipo en la
gestión de los RSU.
Fracción orgánica de los RSU, origen del metano;
los RESA se consideran biorreactores de escala
industrial, con una ecología microbiana compleja
(Balagurusamy, 2007; Reinhart et al., 2002). La
descomposición anaerobia (DA) de la fracción
orgánica de los RSU, tiene aspectos
microbiológicos y ecológicos definidos (fig. 1).
Hoy, es evidente que la mineralización de un
sustrato de elevado peso molecular requiere
acciones metabólicas previas para su conversión
final en metano. Algunos de los procesos
intermedios claves no han sido identificados,
desde el punto de vista de la DA de la materia
orgánica medida por la demanda química de
oxígeno (DQO).
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
exoenzima que generan y que se inhiben con
la acumulación de azúcares y aminoácidos
libres.
Acción de bacterias fermentativas que
transforman azucares simples en: H2,
formiato, CO2, piruvato, ácidos orgánicos
volátiles y otros subproductos como: etanol,
acetonas o ácido láctico.
Participación de bacterias acetogénicas
obligadas generadoras de H2 (BAGH) al usar
compuestos orgánicos reducidos como fuente
de carbono en: H2, CO2 y acetato.
Actividad de bacterias homoacetogénicas
(BHA) con catabolismo mixotrópico que
usan: azúcares, HCO2, CO2, e H2, generan
ácido acético y compiten con las
metanogénicas por el H2.
Acción en anaerobiosis de bacterias sulfato
reductoras (BRS) o reductoras de nitrato
(BRN), que usan compuestos orgánicos
reducidos del tipo: alcoholes, ácido butírico,
propiónico a CO2 y acido acético en presencia
de sulfatos y/o nitratos.
Participación de BSR o BRN para transformar
acetato en CO2.
La actividad de las BRS o BRN que utilizan
como fuente de energía H2 o formiato.
Las bacterias metanogénicas aceticlásticas
(BMA) tienen un metabolismo sintrófico,
convierten el ácido acético en metano. Algunos
de los géneros más investigados son:
Metanosarcina y Metanotrix, ambas con una
velocidad de crecimiento lenta, e inhibidas por
el H2.
Las bacterias metanogénicas hidrogenofílicas
(BMH) reducen CO2 a CH4, éstas tienen una
tasa crecimiento más rápida que las BMA.
Fig. 1. Esquema de la descomposición de la materia
orgánica en un RESA (Siegrist et al., 1993)
Las etapas de la DA de la fracción orgánica de
RSU en un RESA, fueron descritos por Pohland
(1992) como sigue:
1. Actividad bacteriana de hidrólisis de polímeros
orgánicos a dímeros y monómeros: azucares,
ácidos orgánicos, aminoácidos; las bacterias
involucradas en esta fase se clasifican según la
Fig.2 Zona de desembocadura del colector La Taboada
En la ciudad de Lima y Callao, la contaminación
ambiental y en especial la contaminación del agua
es un problema difícil de manejar debido a la
explosión demográfica propia de las grandes
ciudades. Esto ha provocado que en algunos casos
existan problemas severos de contaminación en
mares y ríos, incluso se han registrado denuncias
de pobladores adyacentes a las desembocaduras
de los colectores, quienes se quejan del mal olor,
enfermedades y proliferación de vectores, tales
como moscas, ratas, cucarachas, etc. (Fig. 2).
Debido a esto, en la zona de la Taboada el Estado
Peruano ordenó la construcción de una planta de
tratamiento de aguas servidas, que sólo se
limitará a realizar un tratamiento primario; ya que
no ofrece darle un valor agregado a estas aguas
antes de verterlas al océano. Esto significa un
incremento en las tarifas de agua que servirían
para financiar el mantenimiento de
dicho
proyecto.
En algunos países de Europa y América, se ha
demostrado que el tratamiento anaerobio de aguas
residuales permite una utilización eficiente de de
las aguas servidas que pueden emplearse en la
generación de energía térmica y eléctrica, venta de
biogás a viviendas cercanas a la planta, reducción
de las emisiones de metano a la atmósfera;
mientras que las aguas tratadas, pueden ser
aprovechadas para riego por agricultores aledaños
y riego de áreas verdes (ver fig. 3).
La metodología está orientada a maximizar la
producción de biogás dejando de lado la
reducción de la contaminación del agua. Según
DIGESA (2009), la caracterización de las aguas
residuales es de 170 mg/l de DBO5 (Fig. 4); el
análisis en un laboratorio privado otorgó como
resultado una DQO de 275 mg/l; encima de los
valores permitidos en la normativa peruana [9].
Fig.4. DBO5 en varios puntos de medición (DIGESA),
el punto M5A está ubicado a la salida del colector.
El diseño del reactor anaerobio de flujo
ascendente de lecho fijo y sus accesorios es una
combinación de un RAFA y FAFA, con la
diferencia de que no se usa un lecho fijo, sino,
una distribución de filamentos de un polímero
inerte, fijados en una columna central estática, que
evitará que se obstruya rápidamente como en el
caso de los filtros anaerobios (FAFA). El reactor
está hecho de PVC de 4” de diámetro, de 6 m de
altura y de 1mm de espesor, con un volumen
efectivo de 48.6 litros y puede ser fijado a una
pared adyacente (ver Fig. 5).
Fig. 3. Esquema de principio de la utilización de las
aguas residuales para generar metano
El presente trabajo pretende dar una opción que
permita disminuir considerablemente la nocividad
de estos desechos, obteniendo como subproducto
Biogás (metano), un combustible que puede ser
utilizado directamente en un quemador de una
cocina, horno, caldero o motor de combustión
interna; dependiendo de su calidad y cantidad.
Algunos países desarrollados han demostrado la
viabilidad de este sistema, que pueden ser
utilizados como fuente de energía limpia,
beneficiando así a los pobladores aledaños o a la
red eléctrica.
MATERIALES Y MÉTODOS
Fig. 5. Posición de abrazaderas para fijar el reactor al
muro adyacente.
La digestión anaeróbica de los microorganismos
presentes
en
las
A.R.
(principio
de
funcionamiento del tratamiento anaerobio)
depende de muchos factores, los más importantes
para nuestro objetivo serán la temperatura (Tº),
tiempo de retención hidráulico (TRH), pH, sólidos
totales (ST).
Temperatura: En reactores anaeróbicos existen 3
rangos de temperatura de operación [10] que son:
psicrofílico (0 a 20ºC), mesofílico (20 a 45ºC) y
termofílico (50 a 60ºC) [2] que permite eliminar
gérmenes patógenos del sustrato de entrada
gracias a su alta temperatura de operación, además
de ser el de mayor producción de biogás [1], [2],
[8]. Es por esto que la temperatura promedio
dentro del reactor será de 50ºC.
Tiempo de retención hidráulico: es el tiempo
que permanecerá el sustrato dentro del reactor
(desde la salida del intercambiador de calor, hasta
el rebose por la parte superior de la campana de
separación). Esto se logra gracias al “Depósito de
Mariotte” (Fig. 6), colocado en la parte superior
del reactor, para dar un flujo permanente del
sustrato. Esta temperatura depende de la
temperatura de trabajo del reactor, regulando y
ajustándose para llenar el reactor en 12 horas.
Es importante mantener un nivel de pH constante
y neutro (6.5-7.5), ya que las bacterias
generadoras de metano (metanogénicas) son muy
sensibles a cambios bruscos, produciendo una
disminución en la producción de biogás.
Configuración de la línea de aguas; corresponde
al circuito que sigue la masa de agua a tratar.
Sistema de bombeo preliminar: Las aguas
transportadas desde el colector, serán elevadas 7.5
metros hacia el depósito Mariotte mediante una
bomba centrífuga de 0.5 HP, durante 6.48 minutos
con un caudal aproximado de 30 lt/min; esto
significa que bombeará cerca de 200 litros para
que la recarga sea cada 2 días.
Depósito de Mariotte: Es un depósito cerrado de
300 litros de capacidad total. En la parte inferior
se tiene un orificio de salida de ø ½”, sometido a
presión atmosférica y en la parte superior tiene un
orificio de ø ¼” donde va introducido un tubo
delgado, produciéndose así una energía hidráulica
relativa mínima (Fig. 6). La velocidad de salida
del depósito de Mariotte es permanente y
constante e igual a 32 m/h.
Intercambiador de calor (I.C.): Para alcanzar la
temperatura de trabajo es necesario suministrar
calor desde una fuente externa de energía (Fig. 7).
Fig. 6. Depósito de Mariotte, para obtener la velocidad
mínima de salida por un orificio.
De la Fig. 4, se determinará la altura h1 para
obtener el caudal de 4.05 l/h del reactor. El caudal
que atraviesa el sistema será:
…
(1)
La velocidad media dentro del reactor será:
(2)
Fig. 7. Intercambiador de calor de contacto indirecto,
para el calentamiento de las aguas residuales
(3)
El calor es absorbido por el sustrato, mediante un
intercambiador de calor de contacto indirecto,
constituido por dos tubos concéntricos, uno de
bronce de ø ½” y otro de acero de ø 4”
respectivamente, aislado térmicamente por fuera,
en la zona anular se encuentra una resistencia
eléctrica inmersa en aceite para distribuir el calor
en forma homogénea por la tubería, que tiene una
longitud efectiva 0.5 metros; este aceite a su vez
calentará el agua residual a su paso antes de llegar
al reactor.
La tubería de salida del depósito Mariotte hacia el
intercambiador de calor es ø ½”. De la ley de
Torricelli, despreciando las pérdidas por fricción:
 …(4)
…(5)
El rango de variación de la altura dependerá de las
pérdidas por fricción, válvulas, reducciones y
expansiones.
El cálculo de la potencia de calor que se necesita
para elevar la temperatura del sustrato desde 15ºC
a 50ºC., se realiza considerando que las
propiedades de las aguas residuales son iguales a
la del agua común, dado que sólo es un medio de
transporte de contaminantes. Entonces:
(6)
(7)
Dónde:
es la temperatura másica,
es la
temperatura de salida,
es la temperatura de
entrada y
es el área de contacto del IC. El calor
específico del agua
a t = 32.5ºC, se obtiene de
tablas, siendo igual a 4179.7 J/kg K (ver Anexo
2). Además:
(8)
Por lo tanto en la ecuación 6, se tiene:
3.04 W
Reactor anaerobio; a la salida del intercambiador
de calor el flujo se desacelera por medio de dos
expansiones graduales de ø ½” a ø 2” y de ø 2” a
ø 4” respectivamente. El reactor está aislado
térmicamente con una capa de poliestireno
expandido (k = 0.05W/m.ºC), lo que disminuirá la
pérdida de calor por las paredes del reactor.
Fig. 8. Esquema del soporte de biomasa, fijo en el
centro y libre en las paredes del reactor.
El flujo es ascendente y recorre la superficie de un
medio fijo pero a la vez flexible, para evitar las
obstrucciones por la sedimentación. Esto se logra
mediante el uso de un sistema de cerdas o
filamentos de plástico de ø 1 mm y 10 cm. de
longitud; que están fijados a un eje central de
acero recubierto con un material elástico (Fig. 8);
permitiendo tener una superficie aproximada de
400 m2/m3 (superior a los estándares logrados con
otros medios fijos [2], [3], [8]).
La carga continua de agua residual permite que se
forme una biopelícula en la superficie de los
filamentos y las paredes del reactor,
produciéndose las reacciones bioquímicas
(acetogénesis, acidogénesis y metanogénesis).
En la parte superior, para evitar la formación de
costras que impiden el paso natural del biogás, se
usará un separador GLS en forma de campana
invertida con deflectores a 45º, para incrementar
la presión interna a medida que se genera biogás.
El efluente será evacuado por rebose a presión
atmosférica hacia la línea de desagüe del campus
universitario, mediante una tubería de ø 1”.
Filtro de vapor de agua y sulfuros; debido a la alta
temperatura de operación del reactor termofílico,
es necesario extraer por condensación simple los
vapores de agua por medio de una trampa en “Y”,
esta agua será extraída periódicamente. De la
misma manera la producción de biogás a partir de
aguas residuales tiene como subproducto al SOx,
que será reducido por un compartimiento con
hierro en forma de filamentos para que reaccione
con él antes de llegar al gasómetro.
Gasómetro: es el almacén del biogás de presión
constante y volumen variable, consta de un
cilindro invertido de vidrio, inmerso en otro
cilindro lleno de agua destilada, al ingresar el
biogás (metano) por medio de unas mangueras
delgadas de ø 4 mm por la boca del cilindro
invertido, de manera que las burbujas de biogás
son capturadas dentro del recipiente a una presión
igual a la columna de agua desplazada por el
volumen de biogás. Además tiene una válvula de
seguridad en la parte superior del gasómetro.
Procedimiento para el funcionamiento del
prototipo (módulo) del reactor anaerobio
a) Toma de muestras:
 Se traerá el agua residual de la misma
desembocadura del colector de La Taboada, que
se encuentra la playa del mismo nombre ubicada
en la provincia constitucional del Callao.
 Al momento de la recolección, se medirá la
temperatura y el pH de la muestra.
 Las muestras se transportarán cada dos días en
dos depósitos de 60 litros hacia la UNMSM.
b) Inoculación del sustrato:
 La masa del líquido será vertida al tanque de
pre-concentración, con un sistema basado en el
“depósito de Mariotte” que permite tener
caudales de hasta 2 l/h. Se evitará el uso de una
bomba peristáltica (bomba de bajos caudales).
 Aquí se separan los sólidos más pesados que se
depositan en la parte inferior del depósito, que
serán evacuados a través de la válvula de
desfogue.
 De la misma manera, las grasas, ceras, y
espumas que se forman en la superficie libre del
agua, serán separadas por medios físicos.
 En la parte interior del reactor se tiene un
colector de sólidos sedimentables en forma de
cono invertido para evitar obstrucciones por
lodo.
 Más adelante se encuentra un lecho fijo que se
encarga de mantener una
biomasa en su
superficie en donde se dan las reacciones
biológicas.
 En la parte superior se encuentra el separador
líquido-gas, de dónde se obtiene el biogás.
 El biogás obtenido se almacena en un recipiente
estéril a presión y temperatura ambiente para su
análisis en laboratorio.
El reactor anaerobio planteado de 48.6 litros a
carga continua, servirá como prototipo de pruebas
en el laboratorio de Termofluidos de la UNMSM.
CONCLUSIONES
1. El control adecuado de la variación de
temperatura dentro del reactor es importante,
por qué afecta a las bacterias metanogénicas y
en general a todo el proceso, el intervalo de
variación recomendable es de 2ºC.
2. La propuesta técnica descrita en este trabajo no
solo sirve para aguas residuales domésticas e
industriales, también puede ser usado para
determinar la producción de biogás de
diferentes sustratos, tales como efluentes de
industrias alimentarias, camales y/o mataderos,
industrias pesqueras, otros; previo análisis de
su composición química.
3. El diseño planteado permite producir la mayor
cantidad de biogás por m3 de sustrato; está
constituido por
la línea pre-tratamiento
(depósito de Mariotte), intercambiador de calor
(eleva la temperatura al rango termofílico),
reactor anaerobio de flujo ascendente,
separador GLS, filtro de vapor de agua y
sulfuros y un gasómetro para medir el volumen
de biogás generado.
4. Al trasladar las aguas residuales a través de los
reactores se tiene grasas, lodos, agua semi
tratada, considerados como sub-productos;
podrían ser empleados en otros usos
industriales.
5. Será necesario implementar el estudio de prefactibilidad, usando los ratios de generación de
biogás encontrados y conocer el potencial de
generación térmica a partir del biogás
proveniente del tratamiento de aguas residuales
del colector de la Taboada-Callao.
BIBLIOGRAFIA
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anaerobio de aguas residuales”; Ing. Sanitaria
Msc. Profesora Asociada de la Universidad Del
Valle. Cali-Colombia, 2004
[2]. Pérez Cortés, Yadira & Villegas Peña, Omar,
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sistemas no convencionales para el tratamiento de
las aguas residuales.”, México, D.F. 2004
[3]. Rodríguez Martínez, Jesús & Garza García,
Yolanda; “Uso de un reactor piloto UASB hibrido
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anónima)”,
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[5]. Cubillos Roa, Haiber; “Puesta en marcha y
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pistón para el manejo de lixiviados del relleno
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Universidad de La Salle, Bogotá. D.C. 2006
[6]. Mantilla González, Juan Miguel; “Diseño y
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[7]. Pérez García, Montserrat, Romero García,
Luís & Sales Márquez, Diego; “Utilización de
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Ingeniería Química, Tecnología de Alimentos y
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Ciencias del Mar. Universidad de Cádiz, 2002.
[8]. Parra Rodríguez, Lina Marcela; “Operación
de un filtro anaerobio de flujo ascendente (FAFA)
hasta alcanzar el estado estable”, Facultad de
Ingeniería y arquitectura, Universidad de
Colombia, 2006.
[9]
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Supremo Nº
044-98-PCM;
“Reglamento de descargas de aguas residuales en
los sistemas de recolección de alcantarillado
sanitario”.
[10]. Smith, J.M.; “Ingeniería de la cinética
química”, sexta impresión, México1991.
[11] Díaz, D. & Escalante, D.; “Tratamiento de
Aguas Residuales de origen doméstico en
Reactores Anaeróbicos de flujo ascendente y
manto de Iodos”; XXIX Congreso Interamericano
de Ingeniería Sanitaria y Ambiental (SIDIS)
CEPIS.
[12] Incropera, Frank; “Fundamentos de
transferencia de calor”, editorial Prentice Hall,
México 2002.
AGRADECIMIENTO
Los autores expresan su agradecimiento al Vice
Rectorado Académico de la UNMSM a través de
su Programa de Iniciación Científica (PIC) que
hizo posible la realización de este proyecto de
investigación.
ANEXO 1
Diseño del módulo y línea de aguas para el reactor anaerobio.
ANEXO 2: Propiedades
termodinámicas del agua. Fuente: Incropera, F.