RCA2_27_2_ 2010 - Instituto de Investigaciones en Fruticultura

Revista CitriFrut, Vol. 27, No. 2, julio-diciembre, 2010
Artículo Científico
Digestión anaerobia de residuales sólidos cítricos en dos etapas
Leticia Prevez Pascual, Carlos M. Fernández Kaba, Graciella Bango de Varona, Marilín Bello Álvarez
Instituto de Investigaciones en Fruticultura Tropical. Ave. 7ma No. 3005 e/ 30 y 32. Miramar. Playa. La Habana. Cuba.
E-mail:letypml@iift.cu
RESUMEN
El presente trabajo muestra los resultados de las tecnologías diseñadas a nivel de laboratorio para la obtención de una fuente de
energía renovable a partir de la biodegradación anaerobia de los residuales cítricos sólidos. Se identificó como tratamiento en dos
etapas a las corridas realizadas primeramente en un reactor hidrolítico con siete días de tiempo de retención hidráulico y una inclinación de 10º y la alimentación de su efluente a un reactor de flujo a pistón de 15 L de volumen efectivo. En comparación con las corridas
realizadas en una etapa, solamente en el Reactor de Flujo a Pistón, la eficiencia de remoción de sólidos totales aumentó de 79 % hasta 83,2
% y desde 83 % hasta 90 % de los sólidos totales volátiles. La producción de biogás se incrementó de 6,3 L/d con una concentración de
metano de 57,6 % hasta 12,6 L/d con 66 %. El coeficiente de rendimiento de metano se triplicó hasta lograr valores de 0,32 m3 metano/ kg
Demanda Química de Oxígeno removida.
Palabras clave: digestión anaerobia, biogás, energía renovable
ABSTRACT
An anaerobic digestion waste treatment technology was designed for solid citrus waste. Two reactors were designed, the first one for
the hydrolytic step with 7 days of Hydraulic Retention Time (HRT) with an inclination angle of 10°. The second, it was a piston flow
reactor of 15 L effective volume. Experiences were carried out feeding both semi continuously. In comparison with one phase the
efficiency varied from 79 % up to 83,2% based on Total Suspended Solids (TSS) and from 83 % up to 90 % based on Total Volatile
Solids (TVS). The biogas production (Vg) varied from 6,3 L/d with 57,6% of methane concentration up to 12,6 L/d with 66%. The
methane yield coefficient was triplicated at values of 0,32 m3 methane/ kg Chemical Oxygen Demand Removed (CDO) rem.
Key word: anaerobic digestion, biogas, renewable energy
INTRODUCCIÓN
El procesamiento industrial de cítricos genera aproximadamente el 50% de residuos sólidos de la fruta que se
procesa. En 1991, la “Oficina de Energía” y el “Buró de
Ciencia y Tecnologías de la Agencia para el Desarrollo
Internacional” de Belice, realizó un estudio de factibilidad
para la obtención de energía a partir de los residuales
líquidos y sólidos cítricos e identificó la digestión
anaerobia como una opción para resolver los problemas
ambientales y disponer de una fuente de energía renovable (Keller et al., 1991). Aunque la digestión anaerobia
de los residuos industriales cítricos unido a alternativas
de pretratamiento, presenta una solución factible
lográndose una buena estabilización del material orgánico con recobrado de energía (Revah, 2001), no se han
reportado en Cuba soluciones de esta naturaleza para el
tratamiento del hollejo industrial cítrico.
El pretratamiento de los efluentes puede acelerar la digestión anaerobia como un todo, al mejorar las condiciones de biodegradabilidad y tornar más accesibles
los sustratos para las enzimas a través de la instalación
de un reactor separado para la fase de la acidogénesis
lo cual permite acomodar altas cargas en el reactor
metanogénico, lo que se conoce como sistema de dos
etapas. Sin embargo, Lettingan et al. (1994) sugieren
realizar solo una ligera pre-acidificación por los costos
de inversión y químicos necesarios además de un crecimiento de lodo granular disperso con efecto negativo
al lodo metanogénico.
El objetivo principal de este trabajo fue evaluar la
factibilidad del empleo de los efluentes de la industria
citrícola como fuente de energía renovable prestando
especial atención al comportamiento de la eficiencia y
CitriFrut
9
Prevez L. et al.: Digestión anaerobia de residuales sólidos cítricos en dos etapas
el rendimiento de biogás durante la digestión anaerobia
en sistemas de una y dos etapas.
MATERIALES Y MÉTODOS
Diseño de los reactores utilizados
Para la biodegradación anaerobia del hollejo cítrico se
diseñó y construyó un reactor de flujo a pistón (RFP) de
15 litros de volumen efectivo dividido en seis cámaras
iguales de 4,05 litros de volumen total cada una. La alimentación del mismo se hizo por gravedad.
Se diseñó y construyó un reactor hidrolítico (RH) de siete litros de capacidad sin tabiques interiores, de flujo
horizontal soportado en dos columnas, con una inclinación de 10º y una apertura superior para los gases no
combustionables (Poli, 1988), que se generan y colectan en un gasómetro para separar la fase hidrolítica del
resto del RFP, por considerarse limitante al entorpecer
la alimentación y el flujo del reactor en sus primeras
cámaras. El tiempo de retención hidráulico fue de siete
días. En la figura 1, se muestran ambos reactores a
escala de banco en el laboratorio y su interconexión.
Tabla I. Composición del sustrato para la adaptación
del lodo del RFP.
Ingredientes
Jugo natural de toronja
Fosfato de amonio
Urea
Agua
Cantidad
70 g
0,083 g
0,55 g
Suficiente para 1L
Una vez adaptado el lodo y estabilizado el reactor, considerando constante la producción de biogás y la estabilización del pH (Lettingan et al., 1994) se procedió a
comenzar las corridas experimentales en el RFP, manteniendo como parámetros fijos la concentración de Sólidos Totales (ST) y Sólidos Totales Volátiles (STV) en la
composición del sustrato (Tabla II), y la neutralización
con hidróxido de sodio al 50% para lograr valores de
pH=7 en el afluente (Montalvo, 2000).
Para el sistema en dos etapas se utilizó la misma composición del sustrato, (Tabla II), en la alimentación del
RH, para mantener una tasa de dilución de 3:1, según
autores para el tratamiento de residuales agroindustriales
(Gonzalías et al., 2000), a una temperatura de 28°C±3
y se alimentó el RFP con este efluente.
Tabla II. Composición del sustrato para las corridas experimentales
Ingrediente
Hollejo de toronja
Jugo de toronja natural
Agua
Semillas
Urea
Fosfato de Amonio
Cantidad
125 g / L
250 g / L
Suficiente para 1 L
7u/L
0,55 g / L
0,083 g / L
Fig.1 Reactores utilizados en las corridas experimentales
Adaptación y puesta en marcha
Se identificó como sistema de una etapa a las corridas
realizadas en el reactor de flujo a pistón y de dos etapas a las corridas utilizando el efluente del reactor
hidrolítico para alimentar al reactor de flujo a pistón:
(RH → RFP).
El inóculo del RFP se preparó con un lodo estabilizado
procedente de un digestor piloto que procesaba excretas
porcinas. Para la adaptación del lodo al residual cítrico, se alimentó diariamente con un litro del sustrato
(Tabla I) según propuesta de Valdés (1994).
10
CitriFrut
El tiempo de duración para cada experiencia fue de 45
días y se tomaron 25 muestras aleatorias una vez alcanzado el estado estacionario para cada experiencia, considerando como variable de respuesta la producción de
gas constante y la estabilización del pH (Revah, 2001).
Para ambos sistemas se procedió a la toma de muestras en los siguientes puntos establecidos:
Entrada del afluente: Se consideraron como variables de control la Demanda Química de Oxígeno (DQO)
(mg/L), ST (mg/L), STV (mg/L), y el pH, así como el
caudal de la bomba Q (L/d) y se analizaron por los
métodos analíticos de la APHA-AWWA-WPCF (1995).
Revista CitriFrut, Vol. 27, No. 2, julio-diciembre, 2010
Salida del efluente: se realizaron las determinaciones de pH, DQO(mg/L), ST(mg/L), STV(mg/L) por
los métodos analíticos de la APHA-AWWA-WPCF
(1995).
Salida de gases. Se cuantificó el volumen de
biogás medido en los gasómetros aforados previamente. Para determinar la concentración de metano en
biogás se utilizó el método de absorción del CO2 con
solución de KOH al 10% y desplazamiento de agua en
cubeta invertida para lo cual se colocó un recipiente
invertido con la solución de KOH, con dos entradas,
una de las cuales se conectó a la salida de gas del
gasómetro y la otra permitía la salida del líquido desplazado, el cual se recogió en una probeta para cuantificar el volumen de metano producido. La solución alcalina
retiene al CO2 por formación de un carbonato y permite la medición directa y continua por desplazamiento
del metano (López, 1999).
Los parámetros de proceso se calcularon por las siguientes ecuaciones según propuesta de Valdés (1994):
• Eficiencia de remoción del proceso (E) expresada
en %:
EST= ST entrada- ST salida/ ST entrada * 100%
ESTV= STV entrada- STV salida/ STV entrada * 100%
• Coeficiente de rendimiento de biogás por unidad
de materia orgánica removida (CRB), expresado en:
(m3/ kg DQO elim):
CRB= Vg/ DQO elim
Donde:
DQO elim.= (DQO entrada- DQO salida)* Q
Q- caudal de la bomba (m3/d)
Vg = Volumen de biogás generado por el sistema, medido en los gasómetros, expresado en m3/ d
• Coeficiente de rendimiento de metano por unidad
de materia orgánica removida (G), expresado en m3/ kg
DQO elim:
Se cuantificó el CO2 producido durante las corridas en
el reactor hidrolítico en un gasómetro aforado.
Para determinar el poder calórico del biogás obtenido
para su utilización como fuente de energía renovable
se procedió a quemar el mismo en un mechero del
laboratorio.
Se determinó la relación STV/ST para conocer la fracción biodegradable que se transforma en biogás en los
sistemas de una y dos etapas.
Ambos sistemas se compararon teniendo en cuenta a
la eficiencia de eliminación de ST, STV, la relación STV/
ST, producción de biogás, concentración de metano y
coeficientes de rendimiento de biogás y metano.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Durante la etapa de adaptación y puesta en marcha se
observó que al pasar 72 horas con la alimentación descrita en la Tabla I, los gasómetros detectaron un incremento en la producción de gas de 300 mL/d, la cual
progresivamente se incrementó hasta valores constantes de 500 mL/ d considerándose alcanzada esta etapa
a los 25 días.
Los resultados promedio en cuanto a eficiencia de eliminación de ST y STV en el RFP en las corridas en el
sistema de una sola etapa, se muestran en la Tabla III.
Tabla III. Resultados promedio durante las corridas empleando la tecnología de una etapa
Parámetros
ST
STV
Unidad
mg/L
mg/L
Afluente
41 500
26 400
Efluente
8 900
4 400
Eficiencia de remoción %
79
83
CitriFrut
11
Prevez L. et al.: Digestión anaerobia de residuales sólidos cítricos en dos etapas
A partir de estos resultados se demostró que el hollejo
puede ser biodegradado por este sistema que ofrece
una eficiencia de remoción de 79 % ST y 83 % STV lo
que se considera aceptable para este sistema según
González (2002) y a los 18 días del inicio de las corridas se obtuvo una llama sostenida, lo que demostró,
que en su composición existen gases con el suficiente
poder calórico para su utilización como fuente de energía renovable.
el afluente al ser neutralizado, en la primera y segunda
cámara el pH se mantuvo en 5,0, por lo que podría
inferirse, que ocurre una hidrólisis ácida (Van Gelderen
et al., 2010) que no depende del pH del efluente. Sin
embargo al alimentarse el RFP con el efluente del RH
neutralizado y sin neutralizar, en la primera cámara, el
pH se mantuvo en 5,5 lo que corrobora la hipótesis, de
que durante siete días no solo ocurrió una hidrólisis,
sino que comenzó la acidogénesis de este residuo en
el reactor, pues además hubo desprendimiento de CO2.
Durante la experiencia se pudo observar que el afluente al ser neutralizado con hidróxido de sodio al 50%
formaba una capa sólida que entorpecía la alimentación del reactor. La alimentación por cinco días consecutivos con agua potable, sosteniendo las concentraciones de fosfato de amonio y urea establecidas en la
fase primaria de adaptación, disolvía esta capa sin afectar el perfil del pH del reactor.
Este comportamiento podría explicarse debido a que la
presencia de pectina en el hollejo cítrico al reaccionar
con un álcali provoca un cambio en el estado coloidal
pasando a gel, prevaleciendo la fase sólida sobre la
líquida aumentando el carácter esponjoso y el grado de
flotabilidad de las partículas del hollejo (Van Gelderen
et al., 2010). Por otro lado, según Kato (2001), la falta
de agua interfiere en el proceso de hidrolización (etapa
limitante) de los sólidos y en el correcto funcionamiento
fisiológico de los microorganismos. El compuesto mayoritario del hollejo es la celulosa, que requiere de tiempos superiores a 15 días para su biodegradación en
sistemas anaerobios, si no son tratados previamente
por otros medios químicos, físicos o biológicos (López,
1999; Montalvo, 2000).
A partir de estas observaciones y la experiencias de
Kubiak (1997) sobre las ventajas de los sistemas de
dos etapas para el tratamiento de los residuales sólidos
en cuanto a producción de gas e incremento de su
contenido de metano, se procedió a realizar las corridas en el RH, con el objetivo de separar la etapa
hidrolítica considerada limitante por la naturaleza del
residuo a tratar.
Al utilizar el sustrato del efluente del RH para alimentar el
RFP, al ser neutralizado, se pudo observar que no cambiaba su estado coloidal, por lo que podría inferirse como
posible mecanismo, la acción de un compuesto de posible naturaleza enzimática, que actuó sobre la pectina desdoblándola durante su permanencia en el RH.
Al analizar comparativamente el perfil del pH del RFP,
(Figura 2), se observó que en el sistema de una etapa,
12
CitriFrut
Fig 2. Comparación del perfil de pH entre una y dos etapas
Por otro lado, se observa un mayor número de cámaras con pH cercano al rango óptimo de desarrollo de
las bacterias metanogénicas de 7,0 (González, 2002),
empleando el sistema de dos etapas y esto también
justifica la mayor producción de biogás y un mejor coeficiente de rendimiento de metano (Tabla IV).
Como puede observarse, en el sistema dos etapas prácticamente se duplicó la producción de biogás y se elevó la concentración de metano al 66%, lo cual corrobora lo planteado por González (2002), quien señaló que
en estos sistemas no solo se genera mayor cantidad de
biogás sino que se mejora la concentración en su composición (Figura 3) y su concentración (Figura 4). Por
otro lado, los coeficientes de rendimiento de biogás y
metano (Figura 5) solo alcanzaron los valores óptimos
cuando se aplicó el sistema de dos etapas.
La relación STV/ST, (Figura 6), fue superior para el
sistema de dos etapas lo que corrobora lo descrito por
Lettingan et al., (1994) y Kato et al., (2001), que consideran que el pretratamiento acelera la digestión
anaerobia a través de mejorar las condiciones de
biodegradabilidad de los sólidos, al tornar los sustratos
más accesibles para las enzimas, incrementándose los
STV, fracción biodegradable que se transforma en
biogás.
Revista CitriFrut, Vol. 27, No. 2, julio-diciembre, 2010
Tabla IV. Comparación de los dos sistemas empleados
Parámetros
Unidades
Eficiencia de remoción de ST
%
Eficiencia de remoción de STV
%
Rendimiento de biogás
L biogás/ DQO rem.
Rendimiento de metano
L metano/ DQO rem.
Producción de gas
L/d
%
Concentración de CH4
Producción de CO2
L/d
Una etapa
79
83
0,15
0,09
6,87
58,6
-
Dos etapas
83,2
90
0,49
0,32
12,8
66,6
3
Fig. 3. Comparación de producción de biogás
Fig. 4. Comparación de concentración de metano
Fig. 5. Comparación de los coeficientes de rendimiento de biogás
CRB y metano G
Fig. 6. Comparación de la relación de STV/ST
CitriFrut
13
Prevez L. et al.: Digestión anaerobia de residuales sólidos cítricos en dos etapas
CONCLUSIONES
1. Es factible producir biogás a partir de los efluentes de
la industria citrícola.
2. Se comprobó que la digestión anaerobia del hollejo
cítrico en sistemas de dos etapas eleva la producción
de biogás a 12,8 l/d y triplica los coeficientes de rendimiento de biogás y metano a 0,49 m3 de biogás y 0,32
m3 de metano por DQO elim. respectivamente
3. El sistema de dos etapas empleado para la
biodegradación anaerobia del hollejo cítrico permite disminuir los costos de operación del sistema al no tener
que neutralizar el efluente.
del VI Taller y Seminario Latinoamericano de Digestión anaerobia.
Vol. II. pp. 105-110.
RECOMENDACIONES
Realizar trabajos a escala piloto dirigidos a profundizar
en la tecnología para aprovechar los residuales industriales cítricos como fuente de energía renovable y estudiar otras variantes que permitan adquirir la información
necesaria para llevar a su escalado a nivel industrial.
Pande D. Poli. 1988. Algunos aspectos en el diseño de reactores de
flujo a pistón. III Congreso de Digestión Anaerobia. Bologna. Italia.
pp. 79-85.
Kato, M Lourdinha, F; Sanz, J. 2001.Avances en Tratamiento
anaeróbico de aguas residuales. Memorias del III Congreso Internacional de Microbiología Ambiental. Colombia. pp. 150-159.
Keeler A.,Moser M., Wilkie A., Wimberly J., 1991 Energy from citrus
wastes in Belize and industry overview. pp. 10-15.
Lettinga G. y Pol H. 1994. Evaluation of the state-of-the-art of
anaerobic wastewater treatment. pp. 19-23
López M. 1999. Alternativas para el tratamiento de lodos y residuos
sólidos. Tesis doctoral. CNIC.
Váldes P. 1994. Tratamiento de aguas residuales cítricas por vía
anaerobia. Rev. Int. Contam. Amb. 10 (2): 69-75.
Montalvo S. 2000. Seminarios sobre Tratamientos Anaerobios Avanzados. ISPJAE. CIPRO.
BIBLIOGRAFÍA
APHA-AWWA-WPCF. 1995. Standard Methods for the Examination
of Water and Wastewater. American Publish Health Association,
Nueva York, 16a Ed. pp. 106-117.
Revah. S. 2001. Perspectiva de la biotecnología ambiental. Memorias del III Congreso Internacional de Microbiología Ambiental. Colombia. pp. 143-151.
González J. 2002. Seminario sobre Actualización del Tratamiento
anaerobio y producción de biogás. IIIA.
Van Gelderen V. 2010. Estudio de biodegradabilidad de residuos
semi sólidos de la industria citrícola. Memorias VI Congreso Argentino de citricultura- Tucumán. pp. 67-73.
Gonzalías A.E, Ramírez M.A. 2000. Experiencias en el arranque y
operación de un reactor anaerobio de flujo a pistón- RAP. Memorias
La CALIDAD al servicio de nuestros clientes
El Comité Técnico de Normalización de Frutas y
Vegetales Frescos (CTN No. 54) tiene su sede en
el Instituto de Investigaciones en Fruticultura
Tropical, con la participación de 28 entidades
relacionadas con el sector hortofruticola, con el
objetivo de elaborar Normas Cubanas (NC)
regulatorias que amparen la actividad comercial del país. Se encuentran elaboradas Normas
de Especificaciones de calidad de los siguientes
productos:
NC 225:02 Ajo, NC 226:02 Cebolla,
NC 131:01 Tomate, NC 223:02 Cítricos,
NC 224:02 Mango, NC 340:04 Guayaba,
NC 356:04 Semilla de Cítricos certificada
Otras NC que se relacionan con Frutas y
Hortalizas
Muestreo (NC 874:03)
Determinación de Sólidos Solubles Totales
(NC ISO 2173:01) y de Acidez (NC ISO 750:01)
CONTÁCTENOS
Email: calidad@iift.cu
14
CitriFrut