Al principio del proyecto de investigación se realizaron unas pruebas preliminares para un mayor control y conocimiento de las características de las muestras. Estos ensayos preliminares nos ayudaron a definir las concentraciones del sustrato, para la alimentación y cálculos de los reactores utilizados, así como también conocer las aptitudes del lodo.
6.5.1 Caracterización de la vinaza de alcohol de caña
Se realizaron varias caracterizaciones de las vinazas muestreadas. Al consultar la bibliografía y tomando en cuenta los recursos del laboratorio, los parámetros determinados analíticamente fueron; pH, conductividad, DQO total y soluble, ST, STV, SST, SSV, nitrógeno orgánico, nitrógeno total Kjeldahl, nitrógeno amoniacal, fósforo y sulfatos. La caracterización promedio a lo largo de los 3 años del estudio se muestra en la Tabla 6.2
Tabla 6.2 Caracterización vinaza
Parámetro Promedio Máximo Mínimo
pH 4,14 4,44 4,03 DQOT (g/L) 128,63 217,71 57,59 DQOS (g/L) 108,48 156,07 36,13 ST (g/L) 80,12 113,98 17,85 STV (g/L) 58,11 81,67 11,81 SST (g/L) 6,83 15,24 1,08 SSV (g/L) 5,42 11,78 0,96 N orgánico (g/L) 0,25 0,65 0,08 N Total kjeldahl (g/L) 0,28 0,69 0,12 N-NH4 (g/L) 0,03 0,05 0,003 Fosforo (g/L) 0,08 0,15 0,01 Sulfatos (g/L) 9,36 14,64 5,03
Los resultados de las caracterizaciones, fueron promediados y nos arrojaron valores posibles para determinar las aptitudes del lodo y de la biodegradabilidad anaerobia de la vinaza.
Aplicación de un tratamiento biológico a las aguas residuales provenientes de una destilería de alcohol de caña, utilizando un reactor UASB
6.5.2 Reactor completamente mezclado (RCM) 1.5 L
Se realizó el montaje por triplicado de un reactor completamente mezclado, cada uno con volumen de 1,5 L. Cuando se desconoce si la sustancia es tóxica para los microorganismos anaerobios, se recomienda un control adicional en el que se adicionan sustancias de prueba y la de referencia en la misma concentración. En este caso se empleo como sustancia de referencia “glucosa”, ya que es fácilmente biodegradable. También se utilizó un “testigo” ó “blanco” que nos da la cuantificación real de biogás del inoculo. En el punto 6.5.2.1 se explican los sustratos empleados en cada reactor. Se procedió a inocular con 150 g de lodo al reactor . El lodo provino de una planta anaerobia de tipo UASB de tratamientos de aguas residuales e industriales.
6.5.2.1 Sustratos empleados durante los ensayos preliminares
En el reactor 1, se utilizaron vinazas brutas de alcohol de caña proveniente de una destilería local como sustrato para estos ensayos. En el reactor 2, se utilizó glucosa como testigo positivo 100 % biodegradable. En el reactor 3, se realizaron ensayos sin sustrato y únicamente con lodos, esto para medir el biogás producido a partir de la respiración endógena.
Los ensayos se realizaron con inóculo sin algún tipo de pre-acondicionamiento, para observar las aptitudes del lodo utilizado.
6.5.2.2 Evaluación de los reactores completamente mezclados
Las capacidades de degradación de DQO de estos lodos se probaron sobre un sustrato considerado 100 % biodegradable como la glucosa y sobre vinazas brutas, sustrato objeto del estudio. En la figura 6.27 se muestran las evoluciones de la DQO en las pruebas de tratabilidad realizadas con glucosa y vinaza bruta. Se reporta también el comportamiento del reactor sin sustrato denominado “testigo”.
El “testigo” presenta rápidamente una producción de DQO soluble en el licor mezclado, resultante de una lisis celular.
Al utilizar la glucosa como sustrato observamos en un primer tiempo una tendencia a la remoción de la DQO soluble. Sin embargo rápidamente la concentración en DQO soluble del medio se incrementa a pesar del consumo inicial.
Aplicación de un tratamiento biológico a las aguas residuales provenientes de una destilería de alcohol de caña, utilizando un reactor UASB
Aparentemente los valores constantes observados en el tiempo restante del batch podrían corresponder a un equilibrio entre la producción de DQO soluble mediante lisis celular y un consumo por las bacterias activas.
Figura 6.27 Evolución de DQO en función del tiempo en las pruebas de aptitudes de
biodegradabilidad del inoculo
Los resultados cinéticos de las pruebas con cada uno de los 2 sustratos se resume en la tabla 6.3
Tabla 6.3 Aptitudes de biodegradabilidad del inoculo
Sustrato AME gDQO/gSSV·d So/Xo %Remoción DQO Velocidad de consumo (g/L⋅h) Sin sustrato - - - - Glucosa 0,072 0,20 36 0,157 Vinaza 0,040 0,20 20 0,245
AME: actividad metanogénica especifica, So/Xo: sustrato inicial (gDQO)/ biomasa inicial (gSSV)
Los valores de AME obtenidos sobre la glucosa y las vinazas son relativamente bajos
0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 0 1 2 3 4 D Q O s o lu b le (g /L ) Días
Aplicación de un tratamiento biológico a las aguas residuales provenientes de una destilería de alcohol de caña, utilizando un reactor UASB
Aunque el sustrato de referencia sea 100 % biodegradable las capacidades de estos lodos están relativamente reducidas y no representan la mejor opción para ser utilizadas como inóculo.
Sin embargo la realidad técnica en materia de tratamiento anaerobio de aguas residuales de la región centro del estado de Veracruz es esta, no tenemos a disposición otra fuente de inóculo.
Un análisis de las condiciones del ensayo demuestran que el medio estaba limitado en nutrientes y en poder buffer, debido a que se acentuó la fragilidad de estos lodos. Con el objeto de aclarar estas dudas, a continuación se realizaron unas pruebas de biodegradabilidad realizadas en condiciones optimas, con la presencia de nutrientes y micro elementos que dan poder buffer (amortiguador de pH).
6.5.3 Pruebas de biodegradabilidad con reactores anaerobios de 250 ml.
Las siguientes pruebas, fueron realizadas mediante 6 reactores anaerobios de 250 ml de capacidad (fig.6.2) en condiciones favorables.
Las pruebas con los reactores completamente mezclados de 1,5 L no fueron realizadas en condiciones favorables, es decir no se adicionó ningún tipo de medio inorgánico.
Debido a esta experiencia, fue necesario adicionar a los reactores 250 ml de una solución de medio inorgánico (ver tabla 6.4) y así obtener unas condiciones favorables para la biodegradabilidad del sustrato.
La solución de medio inorgánico ayuda al crecimiento bacteriano, con el fin de evitar una deficiencia de nutrientes y además que tiene la función buffer (amortiguador), la cual ayuda a que el pH se mantenga a un pH neutro.
Las pruebas de biodegradabilidad anaerobia corresponden a pruebas realizadas en condiciones estándares de biomasa y sustrato, permitiendo caracterizar por un lado la eficiencia de los lodos para procesar un sustrato, y por otro la biodegradabilidad de un sustrato desconocido.
Los ensayos se realizaron con una concentración inicial (S0) de sustrato de 2 g/L de DQO y una concentración inicial de biomasa (X0) de 8 g/l de SSV lo que corresponde a una relación So/Xo de 0,25 g DQO/gSSV⋅d. El pH se neutralizo a 7, mediante la adición de NaOH 3N.
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Para evaluar la capacidad del lodo se utiliza como sustrato de referencia una mezcla de Ácidos Grasos Volátiles (AGV) a 2 gDQO/L (1 g de DQO/L de Acido acético, 0,5 g de DQO/L de Acido propiónico y 0,5 g de DQO/L de Acido butírico). Se evaluó la biodegradabilidad de la vinaza, utilizando sustrato fresco proveniente de la destilería local de estudio. Se midió la actividad endógena de los lodos, realizando una prueba sin sustrato denominado “testigo”, durante la cual se mide la producción de biogás. Para realizar las pruebas de biodegradabilidad se adicionó medio inorgánico a los lodos, según Kawahara y col. (1999). La composición se describe en la tabla 6.4, este medio contiene nutrientes y soluciones amortiguadoras de pH.
Tabla 6.4 Medio inorgánico de Kawahara y col. Modificado (1999)
Kawahara modificado Volumen solución madre/100 ml de reactor
KH2PO4 4,05 g/l 15 ml Solución madre de KH2PO4
K2HPO4 8,385 g/l 4 ml Solución madre de K2HPO4
NH4Cl 7,95 g/l 4 ml Solución madre de NH4Cl
CaCl2 1,125 g/l 4 ml Solución madre de CaCl2
MgCl2.6H2O 1,0 g/l 4 ml Solución madre de MgCl2.6H2O
FeSO4.7H2O 5,6 g/l 4 ml Solución madre de FeSO4.7H2O
6.5.3.1 Evaluación de los reactores anaerobios de 250 ml
Cada prueba se realizó por duplicado, una midiendo el volumen de biogás y la segunda midiendo el volumen de CH4.
Para cada serie, se utilizaron 3 reactores en los cuales se agregó inóculo, acondicionado con medio inorgánico. Solamente en dos de los reactores se agregó sustrato; el primero con una solución de ácidos grasos volátiles (AGV) y el segundo con vinaza. El tercer reactor no se le agregó sustrato y fue denominado “testigo”. El volumen de biogás medido en el “testigo” se restara al volumen de biogás de las pruebas con sustrato para definir con exactitud la fracción orgánica del sustrato que se transforma en biogás. A partir de estos resultados se calculo la AME del lodo y el porcentaje de biodegradabilidad de los sustratos.
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biodegradable la vinaza. También se reveló la necesidad de mantener acondicionado el lodo antes de aplicar el sustrato de estudio.
La Evolución de la producción de metano en función del tiempo se muestra en la figura 6.28.
Figura 6.28 Evolución de la producción CH4 en función del tiempo en las pruebas de
biodegradabilidad anaerobia en condiciones óptimas
En la figura 6.28 se observa una producción máxima de metano con el sustrato de AGV’s de 220 ml. La vinaza alcanzó una producción máxima de CH4 de mas de 140 ml. El “testigo” logró valores de alrededor de 65 ml de metano. La solución de AGV’s fue degradada en su totalidad. Mientras que el sustrato de estudio (vinaza) tuvo una fracción no biodegradable. La producción de metano del testigo se podría atribuir a la pequeña existencia de sustrato contenido en los lodos e inclusive a los compuestos orgánicos presentes en la composición del medio mineral. Las pruebas de biodegradabilidad fueron monitoreadas durante 50 horas.
La producción de metano fue corregida en las pruebas de AGV’s como en las pruebas de vinaza. Debido que el volumen de metano que producen los testigos es
0 50 100 150 200 250 300 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 ml CH 4 Tiempo (Horas)
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descartable, ya que no contiene sustrato. La corrección se realizó restando el volumen de metano de AGV’s y Vinaza al volumen de metano de los testigos. La figura 6.29 muestra la producción de metano corregida en las pruebas de biodegradabilidad.
Figura 6.29 Evolución de la producción CH4 corregida en función del tiempo en las pruebas de
biodegradabilidad anaerobia en condiciones óptimas
La producción de metano se observa con un volumen inferior a la producción teórica calculada a partir de la DQO eliminada (250 ml de CH4). La producción de metano con AGV’s fue de 150 ml y con la vinaza valores superiores a 85 ml de metano. El porcentaje de metanización fue superior al 100%. Este valor corresponde a la cantidad de DQO removida transformada en Biogás.
Los lodos utilizados en las pruebas, requieren de una atención particular, para que trabajen eficientemente y así se puede reducir la lisis celular. Los parámetros cinéticos característicos de estos lodos mediante la AME y el porcentaje de remoción de la DQO, son presentados en la tabla 6.5
0 50 100 150 200 250 300 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 ml CH 4 Tiempo (Horas) AGV's (CH4) Vinaza (CH4)
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Tabla 6.5 Pruebas biodegradabilidad con condiciones óptimas
Sustrato AME gDQO/gSSV·d So/Xo %Remoción DQO Velocidad de consumo (g/L·d) AGV’s 0,3 0,25 99 0,316 Vinaza 0,06 0,25 50 0,010
La relación sustrato inicial sobre biomasa inicial (So/Xo) es de 0,25, para los ensayos realizados con AGV’s y vinaza. Estas relaciones óptimas recomendadas por la literatura (Buitrón y col 1997) así como unas condiciones de operación y composición del medio óptimas, permitieron a estos lodos presentar valores cinéticos respetables. Efectivamente estas bacterias pudieron degradar a la solución de referencia de AGV’s a un 99%, lo que confirma la excelente biodegradabilidad de estos intermediarios de la digestión anaerobia. Esta capacidad de los microorganismos se confirma al presentar una AME respetable de 0,3 gDQO/g SSV⋅d. Al tratar la vinaza con estos lodos descubrimos una biodegradabilidad del orden de 50 % y una AME de 0,06 gDQO/gSSV⋅d. Estos resultados confirman la dificultad en tratar biológicamente y de manera anaeróbica las vinazas de alcohol de caña. Además, al primer ciclo de tratamiento de estas aguas residuales alcoholeras, los microorganismos presentan una actividad mas bien lenta comparada con la observada con los AGV’s, característica propia de lodos no aclimatados a su sustrato.
6.5.4 Comparación y evaluación de los ensayos preliminares
En la siguiente tabla 6.6, se describe comparativamente los datos obtenidos durante las pruebas de biodegradabilidad.
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Tabla 6.6 Datos comparativos de las pruebas de biodegradabilidad
Pruebas de biodegradabilidad Sustrato AME gDQO/gSSV·d So/Xo %Remoción DQO Velocidad de consumo (g/L·d)
Reactor 1,5 L (a) Glucosa 0,072 0,20 36 0,157 Vinaza 0,04 0,20 20 0,245 Reactor 250 ml (b) AGV 0,3 0,25 99 0,316 Vinaza 0,06 0,25 50 0,010
(a) Pruebas de biodegradabilidad sin acondicionamiento (b) Pruebas de biodegradabilidad con acondicionamiento
Las pruebas de biodegradabilidad (a) presentan una relación So/Xo de 0,20 con glucosa y las pruebas (b) con AGV de 0,25. En relación al sustrato de estudio “vinaza”, se obtuvo en las pruebas (a) una relación S0/Xo de 0,20 y con las pruebas (b) de 0,25. La AME obtenida en pruebas (a) es de 0,072 con glucosa y de 0,04 con Vinaza. Con respecto a las pruebas (b) se obtiene 0,3 y 0,06 en AGV’s y vinaza. La AME obtuvo un incremento en las pruebas (b), con respecto a las pruebas (a).
Las condiciones experimentales recomendadas para los ensayos de actividad microbiana, es de una relación So/Xo de 0,25 a 3 para que se lleve una actividad metanogénica.(Soto y col., 1993 en Martínez, 2002). Es debido a los resultados obtenidos en las pruebas de biodegradabilidad (b), que tomamos como punto de partida para determinar la necesidad de acondicionamiento de los lodos antes de inocular en el reactor UASB. El acondicionamiento se realiza adicionando el medio inorgánico referido en la tabla 6.4
Finalmente, si bien la calidad de estos lodos es aceptable para inocular nuestro reactor de tipo UASB, debemos admitir que están frágiles y requieren de condiciones de operación óptimas, como la adición de nutrientes y amortiguador de pH. Además de las condiciones de arranque, una aclimatación del inóculo a la vinaza será necesaria .
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