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En una EDAR (Estación depuradora de aguas residuales) se tratan en líneas diferentes las aguas y los fangos. Uno de los procesos más importantes de la línea de fangos es la digestión.

Existen varios tipos de digestión de fangos. Uno de los más utilizados por sus ventajas es la digestión anaerobia de fangos.

La digestión anaerobia es una fermentación microbiana en ausencia de oxígeno que da lugar a biogás (formado principalmente por metano o dióxido de carbono) y un material estabilizado conocido como fango digerido.

Ventajas de la digestión anaerobia de fangos

La digestión anaerobia tiene importantes ventajas. Las tres más importantes son:

Estabilización: el residuo obtenido tras la digestión anaerobia está más estabilizado, lo que hace posible su uso material para compostaje, abono…

Generación de biogás: como combustible para calderas y motores de cogeneración en las plantas de tratamiento.

Reducción: del volumen de fangos.

Parámetros  de digestión anaerobia de fangos en EDAR

Los parámetros que influyen en este tipo de digestión son diversos. Es muy importante que estos se  encuentren dentro de unos límites para que las bacterias lleven a cabo la digestión anaerobia de los fangos.

Algunos de los parámetros a controlar durante la operación y mantenimiento de la digestión anaerobia son:

pH. El pH en la digestión anaerobia es un parámetro que se debe controlar, su valor debe estar entre 6,5 y 8,5.

Temperatura. El rango más usual de temperatura en este tipo de digestión es 25-40 ºC. Se denomina régimen mesófilo. También se puede operar a 55ºC lo que se conoce como régimen termófilo.

Tiempo de retención. Tiempo medio que los sólidos permanecen en el interior del reactor. Su valor más común oscila entre 30-40 días, tiempos superiores a éstos hacen necesario un mayor volumen de reactor.

Tóxicos e inhibidores. Las sustancias tóxicas o inhibidoras pueden estar presentes en los fangos antes de su digestión o formarse durante la misma. Estas sustancias reducen el rendimiento de la digestión anaerobia, incluso pueden llegar a desestabilizar el proceso.

Determinadas concentraciones de ácidos grasos volátiles (AGV) generan problemas de inhibición de los microorganismos encargados de la digestión de los lodos.

Las bacterias metanogénicas son especialmente sensibles al aumento de la concentración de ácidos grasos volátiles. Existen otras sustancias inhibidoras del proceso como el amonio, el ácido sulfúrico o los ácidos grasos de cadena larga.Curso de Operación y mantenimiento de EDARs

Las etapas de la digestión anaerobia de fangos

La digestión anaerobia sucede en una serie de etapas en las cuales se van transformando los fangos en productos de degradación, mientras reducen su volumen. Estas etapas son:

Hidrólisis. Se trata de la conversión de bio-polímeros (proteínas, hidratos de carbono y grasas) en sus monómeros respectivos (aminoácidos, azúcares y ácidos grasos de cadena larga).

Dicha conversión la llevan a cabo enzimas extracelulares, las cuales son producidas por bacterias hidrolíticas facultativas o estrictamente anaerobias.

Es un proceso lento, cuya velocidad de degradación se ve afectada por un gran número de factores.

Acidogénesis o fermentación. Los productos generados en la etapa de hidrólisis se transportan al interior de la célula, para su transformación en acetatos, productos intermedios (ácidos grasos volátiles, alcoholes) e hidrógeno.

Los microorganismos encargados de realizar esta etapa suponen el 90% de la población microbiana del reactor.

El tiempo de degradación de esta etapa será reducido.

Acetogénesis. Los productos originados en la etapa anterior son transformados por las bacterias homoacetogénicas y las sintróficas o productoras de hidrógeno (OHPA), en acetato, dióxido de carbono e hidrógeno.

Metanogénesis. Es la etapa final de la digestión anaerobia. A partir del acetato, el dióxido de carbono y el hidrógeno formado durante la Acetogénesis, se produce metano.

El acetato es el principal precursor del metano, alrededor de 70% del metano procede del acético. Las bacterias encargadas de realizar este proceso son las bacterias hidrogenotróficas y las acetoclásticas.

A pesar de las ventajas antes mencionadas, la digestión anaerobia de residuos de naturaleza sólida, como los fangos, presenta una limitación en la etapa de hidrólisis, en la cual la velocidad de degradación es lenta, debido a la baja solubilización de la materia orgánica suspendida y los sólidos orgánicos. Esto ocasiona que los rendimientos de eliminación alcanzables no superen el 40%.

Tratamiento para aumentar el rendimiento de la digestión de fangos en una EDAR

En depuradoras de aguas residuales de gran tamaño se producen cantidades enormes de fangos. Habitualmente, se asocia en la fase de diseño el destino de los mismos. No obstante, en ocasiones la generación de fangos es excesiva y conviene reducir su volumen.

En estos casos, se emplean tecnologías avanzadas de digestión de fangos. Para lograr una mayor estabilización del fango de una EDAR, se recurren a pretratamientos de digestión de fangos.

Los procesos de digestión más empleados son: los homogeneizadores de alta presión, los homogeneizadores de ultrasonidos, la hidrólisis térmica, la hidrólisis acida o alcalina, el pretratamiento con ozono, el pretratamiento enzimático, la congelación y descongelación, la molienda por impacto, la radiación gamma y las pulsaciones de alto rendimiento.

Entre las tecnologías de digestión de fangos destaca por su efectividad la hidrólisis térmica.

El proceso de hidrólisis térmica en fangos de EDAR

Para aumentar la eficacia del proceso de digestión anaerobia de fangos existen técnicas apropiadas, y tal vez, la más eficiente es la hidrólisis térmica.

El objetivo de este tipo de pretratamiento es hacer el sustrato más accesible a las bacterias anaerobias, acelerando el proceso de digestión (aumento de la cantidad de metano producida) y disminuyendo la cantidad de fango generado.

La hidrólisis térmica es un pretratamiento de residuos biológicos, entre ellos lodos residuales. La hidrólisis térmica consiste en aplicar alta presión y temperatura durante un cierto periodo de tiempo.

Una vez conseguido la hidrolización de dichos lodos, el proceso continúa con la digestión anaerobia mesofílica de los mismos. El rango de temperaturas oscila entre 140-200 ºC y la presión entre 6- 20 bar, durante unos 30 minutos aproximadamente (Gurieff et al.2010).

Este proceso ocasiona que las células se rompan y se desintegren, siendo más fácilmente degradables por los microorganismos anaerobios.

Algunos sólidos en suspensión se solubilizan y los compuestos orgánicos de cadena larga se descomponen debido a las reacciones de hidrólisis.

Además, se consiguen otros efectos como la mejora de la deshidratación del fango, la reducción de patógenos y la eliminación de espumas.

Según Graja (2005) y Valo (2004), se ha demostrado que empleando la hidrólisis térmica como pretratamiento en la digestión anaerobia se aumenta la producción de metano alrededor de un 45%.

Numerosas empresas han desarrollado su propia tecnología de hidrólisis térmica y cuentan con varias plantas funcionando.

Los fangos de la hidrólisis térmica

Los fangos procedentes de la hidrólisis térmica presentan una baja viscosidad y una alta concentración de DQO soluble. Esto hace que la producción de biogás en el digestor anaerobio sea mayor y que se produzcan una menor cantidad de fangos. Lo cual tiene unas repercusiones económicas muy interesantes.

Según Fdz-Polanco (2008), este proceso logra ahorros de 3 a 5 veces la energía empleada para la mezcla y el bombeo. Además, este proceso esteriliza los fangos, ya que produce la destrucción de patógenos, haciendo posible su utilización como fertilizante.

Las ventajas de la hidrólisis térmica en digestión de fangos de EDAR

A modo de resumen, podemos citar como las principales ventajas de la hidrólisis térmica de fangos:

    • Aumento de la producción de biogás en aproximadamente 30-50%
    • Alta eficiencia energética. Se reutiliza la energía térmica de las calderas o motogeneradores en el precalentamiento de los fangos y en la producción del vapor necesaria para la hidrólisis.
    • Reducción de la viscosidad del fango y no generación de espumas. Esto permite doblar la carga orgánica en el digestor (8-12% MS), reduciendo el volumen del digestor a un tercio o la mitad del volumen de uno convencional.
    • Obtención de fangos exentos de patógenos y estabilizados (Clase A).
    • Reducción del volumen de fango digerido. Esto es la consecuencia de mejorar la digestión anaerobia de los fangos y la deshidratación posterior.
    • Mejora la deshidratación de los lodos en un 50-100% (se pueden alcanzar sequedades de un 40% MS), lo que hace que disminuya el volumen de lodos producidos.

Los inconvenientes de la hidrólisis térmica en digestión de fangos

A pesar de la cantidad y calidad de las ventajas, existen ciertos inconvenientes que se deben considerar antes de optar por este proceso del tratamiento de fangos.

Los inconvenientes más destacados son:

    • Requiere un balance energético para verificar su viabilidad económica. Es necesario hacer un estudio de generación y coste de energía de la instalación para saber si se consume más energía de la que se produce en el proceso.
    • Fango alimentado a la hidrólisis térmica debe tener una sequedad mayor del 12%, lo que implica la necesidad de una deshidratación previa.
    • El caudal de retorno presenta una mayor concentración de amonio y DQO soluble no biodegradable.
    • Requiere operadores cualificados en sistemas de alta presión.
    • Inversión inicial elevada. No resulta rentable para instalaciones de pequeño tamaño (plantas con una población equivalente inferior a 100.000 he o 3.000 t/año fango).

La operación de fangos en hidrólisis térmica

El proceso puede ser operado de forma discontinua (batch) o de forma continua. El balance energético depende del modo de operar el sistema.

Inicialmente la operación de este proceso se realizaba en la forma discontinua, pero en los últimos años se han desarrollado tecnologías comerciales que operan en continuo.

Los sistemas que operan en discontinuo realizan una utilización ineficiente de la energía y se sobredimensiona el equipo principal.

La inversión y los costes de operación de estos equipos limitan su utilización a plantas de tratamiento de aguas residuales de gran tamaño. El empleo de sistemas que operan en continuo permite la implantación de este tipo de tecnología en una gama más amplia de instalaciones.

Más procesos de hidrólisis

El proceso de hidrólisis implica la reacción de un producto químico orgánico utilizando el agua para poder formar dos o más sustancias nuevas. La hidrólisis por lo general significa la división de enlaces químicos por medio de la adición de agua.

Dado que el agua residual es un material abundante en una EDAR, se han investigado otros métodos de hidrólisis para favorecer la digestión de fangos. Estos son:

Hidrólisis ácida

Según la teoría del ácido de Brønsted-Lowry, en la hidrólisis ácida el agua puede encontrarse actuando como un ácido o una base. Este es un proceso de hidrólisis mediante el cual un ácido prótico se usa para romper un enlace químico por medio de una reacción de sustitución añadiendo agua.

Hidrólisis enzimática

La hidrólisis enzimática tiene como principal función la de producir azúcares que pueden ser fermentados. El ejemplo clásico es la obtención de glucosa por medio del uso de enzimas.

Estos azúcares luego pueden ser fermentados obteniendo como resultado bioetanol. La producción de esta sustancia a partir de residuos agroindustriales con el objetivo de ser utilizados en la biorrefinería. Las investigaciones en esta línea buscan una materia prima de biocombustibles a partir del fango de depuradoras.

Hidrólisis alcalina

La hidrólisis alcalina es un proceso de hidrólisis, que requiere temperaturas entre 150 y 180 grados centígrados. En este proceso se agrega hidróxido de potasio que funciona como un agente activo para descomponer material biológico. Los restos biológicos en una depuradora de aguas residuales son muy abundantes, como proteínas, ácidos nucleicos, carbohidratos y lípidos.

Estos desechos orgánicos se mezclan en una solución a base de agua estéril compuesta de aminoácidos y azucares. Utiliza presión para crear calor para acelerar el proceso.

Este es uno de los usos para aprovechar la energía térmica que se genera en las depuradoras. La temperatura se obtiene mediante intercambiadores de calor que refrigeran la combustión de los excedentes de biogás producidos en la propia digestión de fangos.

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