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Red de Revistas Científicas de América Latina y el Caribe, España y Portugal
Rev. Int. Contam. Ambie. 32 (3) 255-266, 2016
DOI: 10.20937/RICA.2016.32.03.01
TRATAMIENTO DE VINAZAS EN UN REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO
INVERSO ANAEROBIO
Eric HOUBRON
1
, Martha Elvira SANDOVAL ROJAS
2
* y Aurelio Felix HERNÁNDEZ MUÑOZ
3
1
Facultad de Ciencias Químicas de Orizaba, Universidad Veracruzana. Prolongación Avenida Oriente 6, 1009,
Colonia Centro, Orizaba, Veracruz, México, C.P. 94340
2
Unidad de Investigación del Medio Ambiente, Tecnológico Nacional de México, Instituto Tecnológico de
Minatitlán. Boulevard Institutos Tecnológicos s/n. Colonia Buena Vista, Norte, Minatitlán, Veracruz, México,
C.P. 96848
3
Escuela Técnica Superior de Ingenieros de Caminos Canales y Puertos, Universidad Politécnica de Madrid.
C/Profesor Aranguren s/n, Madrid, España, 28040
* Autor para correspondencia: marsanrojas@hotmail.com
(Recibido abril 2015; aceptado noviembre 2015)
Palabras clave: efuentes de producción de etanol, digestión anaerobia, carga orgánica volumétrica, tiempo de
residencia hidráulica
RESUMEN
En la producción de etanol se generan vinazas, efuentes con pH ácido y elevada
demanda química de oxígeno (DQO). Los sistemas de tratamiento anaerobio con
biopelícula son una tecnología consolidada para tratamiento de efuentes industriales.
El reactor de lecho fuidizado inverso anaerobio (LFI), empleado en el tratamiento de
efuentes de alta carga, utiliza un soporte que proporciona una gran super±cie y un
bajo requerimiento de energía para la fuidización del lecho. Este trabajo evalúa el
desempeño de un LFI, empleando Extendospher
®
como soporte y tratando efuentes
de la producción de etanol. El reactor arrancó por lotes, posteriormente operó en con-
tinuo a diferentes cargas orgánicas volumétricas: 0.5, 1.0, 3.3, 6.8 y 10.4 gDQO/L d.
Además, se evaluaron diferentes tiempos de residencia hidráulica (TRH): 10, 5 y 1
días
. El sistema alcanzó las siguientes e±ciencias promedio de remoción de DQO:
81 % para la operación en lotes, y 58, 67, 59 y 50 % con cargas de 0.5, 1.0, 3.3, 6.8
gDQO/L d respectivamente. Para la carga de 10.4 gDQO/L d, la e±ciencia promedio
de remoción de DQO fue 38 %, en esta condición el reactor presentó inestabilidad
y disminución del rendimiento de metano. La generación de metano inició hasta los
110 días de operación del reactor a una carga de 1.0 gDQO/L d. El sistema alcanzó
un rendimiento de metano desde 0.15 hasta 0.34 LCH
4
/gDQO
removida
. El reactor ope-
rando a una carga constante de 6.4 gDQO/L d, y TRH de 1 día, alcanzó una e±ciencia
promedio de remoción de DQO de 52 %.
Key words: e²fuents o² ethanol production, anaerobic digestion, organic load rate, hydraulic retention times
ABSTRAC
The vinasses are the residual liquid waste after distillation of the ethanol. This distillery
e²fuent generally has a very high chemical oxygen demand (COD) concentration and
E. Houbron
et al.
256
low pH. Anaerobic treatment whit bioflms systems is a well-established technology For
the treatment oF industrial eF±uents. The anaerobic inverse ±uidized bed reactor (I²BR)
has been developed to provide biological treatment of high strength organic wastewater
For their large specifc surFace and their low energy requirements For ±uidization. This
study describes the performance of IFBR with Extendospher
®
, for the treatment of vi-
nasses. The start-up was in batch, increasing gradually the organic load rate (OLR): 0.5,
1.0, 3.3, 6.8 and 10.4 gCOD/L d. Different hydraulic retention times (HRT) were evaluated:
10, 5 and 1 days. During the batch operation, the COD removal obtained was of 81 %,
and for OLR of 0.5, 1.0, 3.3, 6.8 gCOD/L d the removal obtained was 58, 67, 59 and 50 %
respectively. For a maximum OLR of 10.4 gCOD/L d, the COD removal was 38 %,
and the system presented instability and a decrease of yield methane. The methane
production initiated after 110 days from the start-up of the IFBR, to organic load
rate of 1.0 gCOD/L d. The system reached values in the methane yield from 0.15 up
to 0.34 LCH
4
/g COD
removed,
for the different organic load rates. During the operation to
a constant OLR of 6.4 gCOD/L d, and a HRT of 1 day, the IFBR reached a maximum
eFfciency oF removal oF 52 %.
INTRODUCCIÓN
Los combustibles fósiles, el petróleo y sus deri-
vados, como fuentes de energía no renovable, están
llegando a niveles de agotamiento acelerado. Esta
situación, sumada al calentamiento global provocado
en gran medida por el uso de este tipo de combusti-
bles, es una oportunidad para la implementación de
energías renovables. En este sentido, la producción
de biocombustibles ha despertado el interés mundial.
Además de ser empleado como biocombustible, el
etanol obtenido a partir de melaza de azúcar de caña,
es utilizado para producir bebidas. En México, diver-
sos ingenios poseen destilerías con una capacidad
instalada para producir anualmente cerca de 167 mil
m
3
de etanol. Independientemente del uso que se dé
a éste, es importante considerar que las grandes can-
tidades producidas a nivel mundial (55 700 millones
de L en 2007, empleados 30 % en la industria, 9 %
en bebidas y 61 % como combustibles) generan a
su vez considerables volúmenes de e±uentes de la
destilación, denominados vinazas (COLPOS 2010).
Estudios realizados en diversas destilerías indican
que por cada litro de alcohol destilado se producen de
12 a 15 L de vinazas (Jiménez
et al.
2006, Travieso
et
al
. 2006, Lorenzo
et al.
2015). Estas vinazas tienen un
pH ácido (de 3 a 4). Asimismo, están caracterizadas
por su alta demanda química de oxígeno (DQO) en un
rango de 50-100 g DQO/L, dependiendo del origen
del sustrato empleado en la fermentación alcohólica
(Jiménez
et al.
2006, Travieso
et al
. 2006).
Las vinazas con frecuencia han sido tratadas me-
diante procesos anaerobios. El tratamiento anaerobio
de e±uentes con elevado contenido de materia orgá
-
nica biodegradable presenta diversas ventajas, por
ejemplo se puede alcanzar alta efciencia de remoción
alimentando altas cargas, presenta bajos requeri-
mientos de nutrientes, genera pequeñas cantidades
de lodos y produce un biogás combustible. La pro-
ducción de biogás permite al proceso no sólo ahorrar
energía, sino también generarla. Esto puede reducir
signifcativamente los costos de operación compa
-
rado con el alto consumo de energía de los procesos
aerobios (Fernández
et al.
2008). Sin embargo, uno
de los mayores problemas en los procesos anaerobios
de tratamiento de aguas residuales es la pérdida de
biomasa en sistemas con alta carga hidráulica. En
relación con esto, muchos de los sistemas anaerobios
empleados involucran sistemas de biomasa fja. La
biopelícula proporciona interesantes ventajas tales
como: oFrece una mayor superfcie de contacto entre
la materia orgánica y la biomasa, además de la fácil
separación del agua tratada de la biomasa y de un
diseño de sistema compacto (Houbron
et al
. 2012,
Thaiyalnayaki y Sowmeyan 2012).
Dentro de los sistemas de tratamiento de aguas
residuales mediante un lecho fjo se encuentran los
reactores de lecho ±uidizado inverso (L²I), mismos
que se han sugerido para el tratamiento anaerobio
de e±uentes industriales (Alvarado
et al.
2010, Ab-
durahman
et al.
2013). El LFI utiliza como soporte
pequeñas partículas con una densidad específica
menor que la del agua, estas partículas ±otan y son
expandidas hacia abajo por el in±uente (Sowmeyan
y Swaminathan 2008). En el caso de la producción de
gas, éste también contribuye a la expansión del lecho,
Fenómeno llamado pseudo±uidización (Arnaiz
et al.
2005). La ±uidización inversa tiene ventajas adiciona
-
les comparadas con la ±uidización convencional, entre
ellas, permite la recuperación de sólidos en el fondo
TRATAMIENTO DE VINAZAS EN UN LFI ANAEROBIO
257
del reactor. En este sentido, la biopelícula que crece
en la parte superior del reactor permanece separada
de los precipitados, así el reactor no está propenso a
atascamientos y tiene menor requerimiento de energía
(Papirio
et al
. 2012). Por otro lado, se considera que
los reactores LFI pueden alcanzar una carga orgánica
volumétrica superior a 30 g DQO/L d (Alvarado
et
al
. 2008). Este proceso ha sido probado a nivel la-
boratorio con éxito sobre aguas residuales urbanas,
aguas residuales de la industria vinícola (Sowmeyan
y Swaminathan 2008, Choudhury y Sahoo 2012,
Thaiyalnayaki y Sowmeyan 2012) y aguas residuales
de cervecería (Alvarado
et al.
2008), así como a escala
real en aguas residuales de la industria refresquera,
textil y de productos químicos (Yougsheng 2008). El
presente trabajo describe la operación de un reactor de
lecho fuidizado inverso, empleando Extendospher
®
como soporte y tratando efuentes provenientes de la
producción de etanol a partir de melaza de azúcar de
caña. El desempeño del reactor se evaluó aplicando
diferentes cargas orgánicas volumétricas y diferentes
tiempos de residencia hidráulica.
MATERIALES Y MÉTODOS
Caracterización del agua residual en estudio
Durante el desarrollo de este trabajo se llevaron
a cabo muestreos simples del efuente proveniente
de una destilería productora de etanol a partir de
melaza de azúcar de caña. La empresa alcoholera
generadora de las vinazas está ubicada en el centro del
estado de Veracruz, México y tiene una capacidad de
producción de alcohol de 20 000 L/d. Los muestreos
se llevaron a cabo directamente en el punto de des-
carga hacia una laguna, utilizada como laguna de
enFriamiento y homogeneización del efuente.
La
caracterización de las vinazas provenientes de la
producción de etanol, empleadas como infuente del
LFI, se realizó de acuerdo con técnicas analíticas de
los métodos estandarizados para el análisis de aguas
y aguas residuales (APHA 1995). Se evaluaron los si-
guientes parámetros: demanda bioquímica de oxíge-
no (DBO
5
) (Método 5210-B, a través de la medición
de oxígeno disuelto con un oxímetro), DQO total y
soluble (Método 5220-C, refujo cerrado espectroFo
-
tométrico), sólidos totales (ST), sólidos totales voláti-
les (STV), sólidos suspendidos totales (SST), sólidos
suspendidos volátiles (SSV) (Método 2540, gravimé-
trico, sólidos en todas sus formas), pH (Método 4500,
electrométrico), conductividad (Método 2510-B,
determinación de la conductividad electrolítica),
nitrógeno total Kjeldahl (NTK), nitrógeno amonia-
cal (N-NH
4
) y nitrógeno orgánico (Método 4500-B,
determinación de NTK), fosfatos (Método 4500-P-D,
determinación de fósforo total, método de cloruro
estañoso) y sulfatos (Método 4500-SO
4
2-
E, espec-
trofotométrico de cloruro de bario).
Arranque del reactor de lecho fuidizado inverso
El dispositivo experimental, LFI, estuvo
conformado por una columna de vidrio con una
altura de 0.55 m, un diámetro interno de 0.07 m
y un volumen útil de 1.7 L (
Fig. 1a
y
b
). Como
soporte se empleó Extendosphere
®
, que consiste
en un material mineral de forma granular, com-
puesto principalmente por sílice. El diámetro
promedio de estas esferas de soporte es de 170
μm, su densidad es igual a 690 kg/m
3
, con un
área super±cial especí±ca igual a 20 000 m
2
/m
3
Influente
a)
b)
Efluente
Calentador y
recirculador
de agua
Depósito
de
influente
Bomba de
alimentación
Bomba de
recirculación
Depósito
de
efluente
Dispositivo para
medición de
biogás
y metano
Fig. 1.
Reactor de lecho fuidizado inverso anaerobio (L²I) empleado como prototipo experimental
E. Houbron
et al.
258
(Arnaiz
et al.
2007). Se emplearon 0.247 L de so-
porte seco, que corresponden a un área superfcial
para adhesión de biopelícula de 4.94 m
2
. El reactor
se adaptó con un dispositivo distribuidor del líquido
de alimentación en la parte superior de la columna.
En la parte inferior derecha del reactor se ubicó la
salida del eFuente. Para la alimentación y la re
-
circulación se emplearon bombas peristálticas de
velocidad variable. El biogás producido se midió
con un sistema de desplazamiento de volumen de
líquido tipo frasco de Mariotte. Se utilizó el mismo
procedimiento para la cuantifcación del metano
producido con NaOH para el lavado del biogás.
El reactor se inoculó con 0.250 L de lodos húme
-
dos (sedimentados y lavados), con una concentración
de 48.44 g/L de SSV. Los lodos fueron obtenidos de
una planta de tratamiento de aguas residuales que
opera bajo un sistema anaerobio.
Después de la inoculación del reactor se inició
su operación por lotes, con un inFuente de una con
-
centración igual a 0.5 g DQO/L. Se mantuvo en esta
condición durante 51 días, periodo en el que se com-
pletaron cinco ciclos de 13, 7, 11, 10 y 10 días, hasta
alcanzar una efciencia de remoción casi constante. Se
realizó un monitoreo de la DQO soluble del inFuente
y el eFuente. Las condiciones de operación en lotes
se muestran en el
cuadro I
. Durante la operación
en lotes se dio seguimiento a la colonización del
soporte, con observaciones directas al microscopio.
Para este fn, las muestras ±ueron tomadas de los
diversos puertos de muestreo ubicados a diferentes
alturas en el reactor.
Operación a diferente carga orgánica volumétrica
Una vez que se obtuvo un soporte colonizado,
se operó el reactor en continuo alimentando el
agua residual en estudio sin diluir (cruda, excepto
para las cargas de 0.5 g DQO/L d y 1.0 g DQO/L
d). Se efectuaron incrementos de la carga orgánica
volumétrica desde 0.5 g DQO/L d hasta 10.4 g
DQO/L d, cuando se alcanzó la estabilización del
sistema para cada carga evaluada. Los valores del
tiempo de residencia hidráulica fueron variables,
tal como se muestra en el
cuadro II
, en donde se
indican también los valores del Fujo del inFuente y
de recirculación empleados en cada carga orgánica
volumétrica. Durante la operación en continuo se
monitorearon los siguientes parámetros: DQO, ST,
STV, SST, pH, volumen de biogás y volumen de
metano. El crecimiento de la biopelícula también
fue monitoreado con observaciones al microsco-
pio, cuando se alcanzó la estabilidad en el sistema.
Asimismo, se determinaron los sólidos volátiles
adheridos al soporte (SVA).
CUADRO I.
CONDICIONES DE OPERACIÓN POR LOTES PARA EL LECHO
FLUIDIZADO INVERSO ANAEROBIO (LFI)
Variable de operación
Valor
Variable de operación
Valor
Concentración de entrada
0.5 g DQO/L
Volumen de soporte seco
0.247 L
Área de la columna
0.0038m
2
Porcentaje de soporte seco
14.5 %
Velocidad descencional
7.34 m/h
Altura del líquido
0.46 m
Flujo de recirculación
28.2 L/h
Relación Ho/D
6.57
Volumen útil del reactor
1.7 L
Temperatura de operación
30 °C.
DQO = Demanda química de oxígeno, Ho/D = Relación altura/diámetro
CUADRO II.
OPERACIÓN DEL LECHO FLUIDIZADO INVERSO ANAEROBIO (LFI) EN CONTINUO A
DIFERENTES CARGAS ORGÁNICAS VOLUMÉTRICAS
Carga orgánica
volumétrica
g DQO/L.d
Carga orgánica
específca
gDQO/m
2.
d
Q
L/d
Valores de
recirculación
L/h
TRH
(días)
Tiempo de
operación
(días)
Promedio
Desviación
estándar
0.5
0.1012
0.922
0.0
28.2
1.8
31
1.0
0.2024
0.039
0.006
28.2
50
105
3.3
0.6680
0.052
0.012
24.0
34
119
6.8
1.377
0.073
0.008
19.8
23
45
10.4
2.105
0.081
0.0
15.0
21
14
Q = Flujo de alimentación, TRH: Tiempo de residencia hidráulica, DQO: Demanda química de oxígeno
TRATAMIENTO DE VINAZAS EN UN LFI ANAEROBIO
259
Operación a diferentes tiempos de residencia
hidráulica (TRH)
Cuando el reactor se estabilizó a la máxima carga
orgánica volumétrica bajo la cual operó efciente
-
mente, se disminuyó gradualmente el TRH. Para lo
anterior, se operó el reactor con una carga de 6.4 g
DQO/L d, a diferentes TRH de 10, 5 y 1 días, cada
uno con periodos de 30, 20 y 10 días respectivamente.
Para mantener constante el TRH se controló el Fujo
de alimentación y mediante diluciones se ajustó la
concentración de DQO de la vinaza empleada como
inFuente.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
De los muestreos y caracterizaciones realizados
cada tres meses en la planta productora de etanol (un
total de nueve muestreos), se obtuvieron los valores
promedio para los diversos parámetros evaluados
que se muestran en el
cuadro III
. El eFuente estaba
compuesto en su mayoría por vinazas, además, con-
tenía una menor proporción de agua proveniente del
lavado de los diferentes tanques del proceso (tales
como los de preparación de mosto, de producción de
levadura y de fermentación). Se observa un valor bajo
de pH en el eFuente caracterizado, causado por las
cantidades de ácido sul±úrico empleado en el proceso
(específcamente en la preparación del mosto) para
evitar la presencia de bacterias durante la producción
de levadura. Por otro lado, se observan valores ele-
vados de DQO, mismos que rebasan los reportados
por diversos autores y que se encuentran en rangos de
50 a 122 g/L DQO (Vlyssides y Barampounti 2005,
Jiménez
et al
. 2006, Travieso
et al.
2006). En relación
con la cantidad de s
ólidos en el eFuente crudo, éstos
se encuentran dentro de los rangos reportados, los
cuales presentan valores entre 70.6 a 170 g/L para
los ST y 3.6 a 145 g/L para los SST (Vlyssides y Ba-
rampounti
et al.
2005, Jiménez
et al
. 2006, Travieso
et al.
2006). Respecto a los valores de nitrógeno, son
más bajos que los reportados por algunos autores, los
cuales están entre 1.8 a 170 g/L para NTK (Vlyssides
y Barampounti 2005, Jiménez
et al
. 2006) y 48 g/L
para N-NH
4
(Vlyssides y Barampounti 2005). Al
igual que en el caso de la DQO, una gran cantidad
de sólidos no tienen su origen únicamente en el
eFuente de la destilación (estrictamente vinazas),
ya que provienen también de sólidos sedimentables
de la melaza empleada como sustrato y que no son
utilizados durante la fermentación, así como de los
eFuentes provenientes del lavado de ±ermentadores,
que contienen una gran cantidad de levadura que no
es centrifugada.
La operación en lotes del LFI se llevó a cabo
durante 51 días, en cinco ciclos. La duración de cada
uno estuvo en ±unción de la concentración del eFuen
-
te del reactor. La mayor efciencia de remoción de
DQO alcanzada fue de 88 %, conseguida tanto en el
segundo, como en el último ciclo. Se consideró que el
sistema alcanzó estabilidad operando en lotes cuando
los porcentajes de remoción de DQO fueron superio-
res a 80 % en los últimos dos ciclos. (
Cuadro IV
).
Durante la operación del LFI en sistema lotes no hubo
generación de metano.
Respecto a la colonización del soporte, las obser-
vaciones realizadas al microscopio demostraron un in-
cremento de biomasa adherida al Extendosphere® du-
rante la operación del reactor en lotes. En la
Fgura 2a
se presenta una observación al microscopio (con un
aumento 10 x) del soporte sin colonizar al inicio de
la operación del reactor en lotes, así como el soporte
colonizado a diferentes tiempos de operación en las
Fguras 2b
,
c
y
d
. Durante el primer ciclo se observa
apenas el inicio de la colonización (a los 8 días), en el
que ocurrió un aumento considerable de la biomasa
CUADRO III.
CARACTERÍSTICAS DE LAS VINAZAS GENERADAS EN LA PRODUCCIÓN DE ETANOL
Parámetro
Valor
Parámetro
Valor
Promedio
Desviación estándar
Promedio
Desviación estándar
Temperatura (ºC)
96
3.95
SST (g/L)
14.71
2.69
pH
4.64
0.28
SSV (g/L)
10.90
1.86
Conductividad (mS/cm)
19.48
8.66
NTK (g/L)
0.259
0.052
DQO
t
(g/L)
193.35
54.64
Nitrógeno Orgánico g/L
0.177
0.033
DQO
s
(g/L)
179.37
42.06
Nitrógeno amoniacal g/L
0.082
0.021
ST (g/L)
109.78
34.41
Fósforo g/L
0.218
0.010
STV (g/L)
77.53
25.93
Sulfatos g/L
11.49
3.89
SST = Sólidos suspendidos totales, SSV = Sólidos suspendidos volátiles, NTK = Nitrógeno total Kjedahl, DQO
t
= Demanda
química de oxígeno total, DQO
s
= Demanda química de oxígeno solubre, ST = Sólidos totales, STV = Sólidos totales volátiles
E. Houbron
et al.
260
adherida durante el tercer ciclo, lo que coincidió con
un incremento en la efciencia de remoción de DQO.
Thaiyalnayaki y Sowmeyan (2012), han considerado
que el desarrollo de la biomasa y su adherencia al
soporte son factores importantes que determinan el
efciente desempeño de un reactor de lecho Fuidi
-
zado inverso anaerobio. De acuerdo con Michaud
et al
. (2005) y Houbron
et al.
(2012), el periodo de
arranque de un reactor puede ser visto como el tiempo
necesario para la selección y justo arreglo de la más
apropiada variedad de bacterias de un consorcio, en
donde están relacionadas unas a otras dependiendo
del sustrato. Durante el periodo de arranque de un
reactor de lecho fjo, el proceso de colonización se
inicia con la adhesión de algunas células de bacterias
a la superfcie del soporte en una ±ase de adhesión,
seguida por una fase de colonización, en donde se
presenta una comunicación intercelular, crecimiento
y formación de polisacáridos. En una siguiente fase
el crecimiento celular aumenta, así como la cantidad
de polisacáridos que permite la adhesión, creando
una biopelícula de mayor espesor y más resistente al
desprendimiento de las células que crecen sobre las
superfcies expuestas a corrientes de líquidos.
Las condiciones bajo las cuales operó el reactor
a di±erentes cargas y las efciencias alcanzadas en
cada condición, se muestran en el
cuadro V
. La ope-
ración en continuo se inició con una carga de 0.5 g
DQO/L
d. El TRH fue de 1.8 días y la concentración
de vinaza alimentada fue ajustada a 0.9 g DQO/L
(o valores muy cercanos a éste), con diluciones de
vinaza. Asimismo, se controló el Fujo del inFuente.
La efciencia de remoción de DQO promedio ±ue
de 58 %, con un valor máximo de 84 %. Durante la
(a) Soporte sin colonizar al inicio
de la operación en lotes
(b) Soporte con biomasa adherida
a los 8 días de operación en lotes
(c) Crecimiento de biopelícula
durante el tercer lote
(d) Biopelícula adherida al soporte
durante el cuarto lote
Fig. 2.
Soporte (Extendosphere
®
) visto al microscopio con aumento 10 x. (a) Soporte
sin colonizar al arranque del reactor, (b) Soporte durante el primer ciclo por
lote, 8 días de operación, (c) Colonización del soporte a los 25 días de operación
en lote, (d) Biomasa adherida al soporte al fnal del cuarto lote, 40 días
CUADRO IV.
EFICIENCIAS DE REMOCIÓN ALCANZADAS EN EL REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO
INVERSO ANAEROBIO OPERANDO POR LOTES
Número
de lote
Tiempo acumulado
(días)
DQO inFuente
g/L
DQO eFuente
g/L
DQO removida
g/L
Porcentaje de
remoción (%)
1
13
0.5952
0.215
380.11
63.87
2
20
0.5334
0.062
471.03
88.31
3
31
0.5204
0.106
413.84
79.52
4
41
0.5204
0.066
454.00
87.23
5
51
0.5567
0.065
491.50
88.29
DQO = Demanda química de oxígeno
TRATAMIENTO DE VINAZAS EN UN LFI ANAEROBIO
261
operación con esta carga orgánica volumétrica no
hubo producción de biogás. Cuando se alcanzó una
remoción de DQO casi constante, se incrementó la
carga. La concentración del infuente para la carga
de 1.0 g DQO/L d fue ajustada con diluciones de la
vinaza a 50 g DQO/L, manteniendo un control del
fujo de entrada, con lo que se consiguió un TRH de
50 días. El caudal de alimentación y la tasa de recir-
culación se indican en el
cuadro II
. En la
fgura 3
se observa que al operar el reactor a la carga de 1.0 g
DQO/L d, durante los días 87 a 127, la eFciencia
de remoción se mantuvo muy cercana al 80 % o
por arriba de este valor. Sin embargo, entre el día
128 y 141, la eFciencia disminuyó hasta un valor
aproximado a 60 %. A partir del día 143 y hasta el
Fnal de la operación a esta carga, el sistema parece
alcanzar estabilidad, pues la variación en la eFciencia
de remoción disminuyó. ±inalmente, la eFciencia
promedio de remoción a esta carga fue de 67 % y
se cumplieron dos TRH. Durante la operación del
reactor a una carga de 3.3 g DQO/L d, se utilizó como
infuente vinaza cruda sin diluir, obtenida durante
120
100
80
60
40
Eficiencia de remoción %
Operación en Batch
(por lote)
COV 0.5 g DQO/ L d
COV 1.0 g DQO/ L d
COV 3.3 g DQO/ L d
COV 6.8 g DQO/ L d
COV 10.4 g DQO/ L d
COV 4.0 g DQO/ L d
COV 7.0 g DQO/ L d
TRH 10 díasCOV 6.4 g DQO/ L d
TRH 5 díasCOV 6.4 g DQO/ L d
TRH 1 díasCOV 6.4 g DQO/ L d
Operación en Batch
20
0
05
0
100
150
200
250
Eficiencia de remoción
Carga orgánica volumétrica
Tiempo (días)
30
03
50
40
04
50
500
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Carga orgánica volumétrica (COV) g DQO/L d
Fig. 3.
EFciencias de remoción obtenidas en el reactor de lecho fuidizado inverso anaerobio (L±I) a di²erentes cargas orgánicas
volumétricas. COV = Carga orgánica volumétrica, TRH = Tiempo de residencia hidráulica, DQO = Demanda química
de oxígeno
CUADRO V.
EFICIENCIAS DE REMOCIÓN ALCANZADAS EN EL REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO INVERSO
ANAEROBIO (LFI) A DIFERENTES CARGAS ORGÁNICAS VOLUMÉTRICAS
DQO
infuente
(g DQO/L)
DQO
efuente
(g DQO/L)
DQO
removida
(g DQO/L)
Carga orgánica
volumética
(g DQO/L
d)
EFciencia de
remoción
(%)
T. O.
L.F.I.
(días)
TRH
(días)
Promedio
D. E.
Promedio
D. E.
Promedio
D. E.
Promedio
D. E.
Promedio
D. E.
0.91
0.14
0.35
0.12
0.38
0.22
0.50
0.08
58.00
20.78
45
1.80
50.63
14.78
12.37
5.25
16.510
10.67
1.00
0.10
67.00
12.19
105
50.00
109.27
23.47
43.71
8.46
64.404
27.10
3.30
0.13
59.00
11.85
119
34.00
163.69
28.96
84.78
24.18
80.970
22.98
6.80
0.27
50.00
7.56
45
23.00
218.51
0.0
153.03
15.29
65.48
15.29
10.4
0.0
29.97
21.22
14
21.00
DQO = Demanda química de oxígeno, TRH = Tiempo de residencia hidráulica, D. E. = Desviación estándar, T. O. = Tiempo de
operación del reactor de lecho fuidizado inverso
E. Houbron
et al.
262
los muestreos en la destilería. En la caracterización
de esta vinaza se encontraron diferentes valores de
DQO, en un rango de 73.0 g DQO/L hasta 130.0 g
DQO/L. De tal manera que, para lograr la carga
deseada en el LFI, que mantenía un volumen fjo de
1.7 L, ±ue necesario calcular el ²ujo de alimentación
para las diferentes concentraciones de DQO de la
vinaza empleada como in²uente. En la
fgura 3
puede apreciarse que la operación del reactor a esta
carga permitió alcanzar una estabilidad después de
operar 119 días, así como una efciencia de remoción
de DQO promedio de 59 %. El tiempo de residencia
fue de 34 días y se cumplieron tres TRH.
Con la fnalidad de probar la tolerancia del LFI
a una mayor carga orgánica volumétrica, se operó
el reactor a 6.8 g DQO/L
d con vinaza cruda (DQO
promedio de 163.7 g DQO/L). Dado que se mantenía
un volumen fjo de 1.7 L en el reactor, ±ue necesario
determinar el valor de ²ujo del in²uente. Derivado
de este ²ujo, el TRH ±ue de 20 días y debido a que
el reactor se operó bajo estas condiciones durante
45 días, se cumplieron dos tiempos de residencia.
Se alcanzó estabilidad a los 29 días de operación.
La efciencia de remoción de DQO promedio ±ue de
50 %. A pesar de que la efciencia de remoción y el
rendimiento de metano disminuyeron, se alcanzó una
estabilidad en un corto tiempo. Al operar el reactor a
una carga orgánica volumétrica de 10.4 g DQO/L
d,
se presentó inestabilidad en su operación, lo que
causó una disminución en la efciencia de remoción
de DQO hasta un 30 %. Asimismo, el pH alcanzó
un valor de 5 y fue necesario ajustarlo diariamente
(
Fig. 3
). Se asume que la disminución de pH puede
ser ocasionada por la acumulación de algunos ácidos
orgánicos intermediarios que se producen durante el
tratamiento anaerobio, tales como los ácidos butírico,
propiónico y acético. Debido a los problemas pre-
sentados, se suspendió la operación en continuo y se
operó el reactor en lotes durante un periodo de 12 días
hasta que el pH del e²uente alcanzó un valor cercano
a 7.0 y se obtuvo una efciencia de remoción de DQO
promedio de 28 %. Después de operar el reactor
en lotes, se reinició la operación en continuo a una
carga de 4.0 g DQO/L
d, alcanzando estabilidad en
16 días, con una efciencia de remoción promedio de
50 %. Posteriormente se incrementó la carga a 7.0 g
DQO/L d y se alcanzó una concentración de DQO en
el e²uente casi constante a los 11 días de operación,
con una efciencia de remoción promedio de 50 %
(
Fig. 3
). Investigaciones anteriores han reportado
di±erentes efciencias de remoción de DQO en LFI.
Thaiyalnayaki y Sowmeyan (2012), alcanzaron una
efciencia de remoción de DQO de 55 % al operar un
reactor de lecho ²uidizado inverso anaerobio a una
capacidad máxima de 15 g de DQO/L
d, tratando
aguas residuales de alta carga. Por otro lado, Alvara-
do
et al
. (2008), obtuvieron efciencias de remoción
superiores a 80 % con cargas volumétricas de hasta
30 g DQO/L
d en un LFI tratando aguas residuales de
la industria cervecera. En el presente trabajo, el valor
de DQO del agua residual cruda en estudio empleada
como in²uente en la carga orgánica volumétrica de
10.4 g DQO/L d fue en promedio, 218.51 g DQO/L,
la más alta respecto a los valores de concentración de
DQO de la vinaza empleada en las diferentes cargas
evaluadas. Es importante considerar que las vinazas
provenientes de la producción de etanol contienen
compuestos recalcitrantes tales como compuestos
orgánicos poliaromáticos, polifenólicos, productos
de lignina, taninos y ácidos húmicos (Zayas
et al
.
2010), mismos que impiden una considerable dismi-
nución de la DQO al no ser removidos. La presencia
de sustancias inhibitorias en las vinazas, tales como
los compuestos ±enólicos, difculta el proceso de
digestión anaerobia. Es conocido que estos com-
puestos son tóxicos e interferen en la actividad de
los microorganismos metanogénicos. Además, la
alta salinidad de estos e²uentes, observada en sus
elevados valores de conductividad (en algunos casos
de hasta 40 mS/cm), pueden causar problemas de
presión osmótica a los microorganismos responsables
de la digestión anaerobia (Jiménez
et al
. 2006). Las
anteriores consideraciones podrían ser la causa de la
desestabilización del sistema al operarlo con la carga
de 10.4 g DQO/L
d.
La determinación de la cantidad de SVA al soporte
por gramo de soporte (g
SVA
/g
SOPORTE
), se realizó a
partir de la operación del reactor en continuo a una
carga de 3.3 g DQO/L d (y para todas las cargas
posteriores), considerando que se había conseguido
estabilidad en la operación del reactor en esta carga
y que habría sufciente biomasa colonizando el so
-
porte para poder ser cuantifcada por este método. La
cantidad de SVA
se mantuvo en un rango desde 0.14
g
SVA
/g
SOPORTE
hasta 0.26 g
SVA
/g
SOPORTE
. La menor
cantidad de SVA coincide con el periodo de desestabi-
lización del reactor a una carga de 10.4 g DQO/L
d, en
donde el valor de pH disminuyó hasta un valor de 5,
así como la producción de metano. La cantidad se
incrementó nuevamente al operar el reactor en lotes y
en la posterior operación en continuo a 4.0 g DQO/L
d
y 7.0 g DQO/L
d. Asimismo, se obtuvieron valores
cercanos al operar el reactor a una carga orgánica
volumétrica promedio de 6.4 g DQO/L d bajo TRH
de 10, 5 y 1 días. El valor promedio fue de 0.20
g
SVA
/g
SOPORTE
. Los valores de biomasa adherida al
TRATAMIENTO DE VINAZAS EN UN LFI ANAEROBIO
263
Extendosphere
®
son semejantes a los reportados por
Thaiyalnayaki y Sowmeyan (2012) al emplear un
rector de lecho fuidizado inverso, utilizando como
soporte esferas de vidrio para tratar aguas residuales
de alta carga.
Cuando el reactor recuperó su estabilidad y con
la Fnalidad de optimizar su desempeño, se operó a
diferentes TRH, los cuales se fueron disminuyendo
gradualmente bajo una carga promedio de 6.4 g
DQO/L
d, ya que fue dicha carga bajo la que operó
eFcientemente. Con un TRH de 10 días, se alcanzó
una eFciencia de remoción promedio igual a 45 % al
Fnal del periodo. Bajo esta condición, ±ue necesario
ajustar el pH diariamente.
Cuando el reactor operó durante un periodo de
tiempo de 20 días y a un TRH de cinco días, se com-
pletaron cuatro tiempos de residencia. Durante los
primeros tres TRH evaluados se presentaron menos
cambios en el pH. En el último TRH evaluado no ±ue
necesario ajustar el pH. Adicionalmente, se obtuvo
una eFciencia de remoción de DQO promedio de
57.42 %. Cuando el reactor se operó a un TRH igual
a un día, se obtuvo una eFciencia de remoción de
DQO promedio de 52 %. Sin embargo, se observa una
tendencia a seguir disminuyendo hasta alcanzar una
eFciencia de 40 %, completándose diez tiempos de
residencia. Se observó estabilidad en la concentración
del efuente y del pH. Así como inestabilidad en el
sistema cada vez que se cambió el TRH, ya que la
eFciencia de remoción bajó considerablemente, pero
se recuperó al Fnal de cada periodo de operación a
CUADRO VI.
RENDIMIENTO DE METANO OBTENIDO A DIFERENTES CARGAS ORGÁNICAS VO-
LUMÉTRICAS EN EL REACTOR DE LECHO FLUIDIZADO INVERSO (LFI)
Tiempo de
operación
(Días)
Carga orgánica volumétrica
g DQO/L
d
Rendimiento de CH
4
, y (LCH
4
/g DQO removida)
Promedio
Promedio
Desviación
estándar
Promedio
Desviación
estándar
51
Operación por lote
*
45
0.50
0.08
0.0
*
105
1.00
0.10
0.3076
0.052
119
3.30
0.13
0.3156
0.046
45
6.80
0.27
0.2383
0.059
14
10.40
0.0
0.1819
0.0
3
Operación por lote
*
17
4.0
0.22
0.2201
0.016
18
7.0
0.55
0.1736
0.050
30
6.4
0
0.2123
0.014
20
6.4
0
0.1922
0.042
10
6.4
0
0.1488
0.021
*No hubo generación de CH
4
; DQO = Demanda química de oxígeno
diferentes TRH (
Fig. 3
) alcanzando eFciencias de
remoción menos variables.
Los valores del rendimiento de metano y su
comportamiento durante la operación del reactor a
diferentes cargas orgánicas volumétricas se muestran
en el
cuadro VI
y
fgura 4
respectivamente. Puede
observarse que durante la operación del LFI en lotes
y en continuo a una carga de 0.5 g DQO/L
d, no hubo
generación de metano, iniciándose la producción del
mismo hasta los 110 días de operación del sistema a
una carga de 1.0 g DQO/L d. Se observa una variación
considerable del rendimiento de metano al inicio de
su producción, pero se estabiliza al Fnal de la etapa
operando a esta carga. En las cargas de 3.3 y 6.8 g
DQO/L
d, la producción de biogás presenta com-
portamientos similares: se observa claramente que
al incrementar las cargas el rendimiento de metano
disminuye, pero al Fnal de la operación en estas dos
cargas orgánicas volumétricas, la cantidad de metano
aumenta manteniendo valores con menos variación.
El sistema alcanza valores de rendimiento de metano
promedio de 0.32 y 0.24 LCH
4
/gDQO
removida
para
las cargas de 3.3 y 6.8 g DQO/L d, respectivamente.
Al operar el reactor a una carga de 10.4 g DQO/L
d,
el rendimiento de metano empieza a disminuir hasta
desaparecer, mostrando un desequilibrio en el LFI,
lo que inidca una máxima carga bajo la cual ya no
podía ser operado. Una posterior operación del sis-
tema en lotes y con cargas de 4.0 y 7.0 g DQO/L
d
permitieron un nuevo incremento en el rendimiento
de metano. Después de estos eventos, el reactor
E. Houbron
et al.
264
operó con una carga de 6.4 g DQO/L
d y a diferentes
tiempos de residencia. El mismo comportamiento
observado con el incremento de cargas se manifesta
al disminuir los tiempos de residencia: al inicio de
cada etapa para los diferentes TRH de 10, 5 y 1 días
el rendimiento de metano es bajo y va aumentando
al fnal de las mismas. El comportamiento del siste
-
ma al fnal del TRH de 1 día permite observar que
la variación del rendimiento disminuye y alcanza
un valor promedio de 0.1488 LCH
4
/g DQO
removida
.
El análisis del comportamiento del rendimiento de
metano a las diferentes cargas y TRH permite obte-
ner información valiosa del momento en el que el
sistema puede alcanzar la estabilidad. Michaud
et
al
. (2005) y Houbron
et al
. (2012) indican que el
rendimiento de metano, defnido como la cantidad de
metano producido para una cantidad dada de materia
orgánica removida, es el resultado de la actividad del
consorcio anaerobio de bacterias. Esto es, el valor
del rendimiento de metano es constante cuando el
ecosistema anaerobio usa carbono para crecer y
mantenerse solamente. Al alcanzar el valor teórico del
rendimiento de metano (0.351 LCH
4
/g DQO
removida
)
podría considerarse que todo el carbono puede
ser utilizado por la biopelícula para la respiración
anaerobia, creciendo y manteniéndose únicamente.
En el presente trabajo, en cada incremento de carga
y disminución de TRH, se observa un decaimiento
en el rendimiento de metano, por lo que se asume
que existe una inhibición de los microorganismos
en respuesta al aumento de las cargas orgánicas. Al
fnal de cada etapa, cuando el rendimiento de metano
empieza a ser estable, el carbono aportado por la
vinaza cruda podría ser empleado para crecimiento
y mantenimiento de la biopelícula.
En general, los resultados conseguidos durante la
evaluación del desempeño del LFI en este estudio,
coinciden con los anteriormente reportados (Jiménez
et al.
2006) para el tratamiento de vinazas crudas (en
reactores agitados de Fujo continuo y utilizando vina
-
zas con concentración de 80.5 g DQO/L) empleando
cargas orgánicas volumétricas de 1.5 a 7.5 g DQO/L
d, con TRH desde 53.3 días hasta 10.6 días y en donde
el rendimiento de metano aumentó con incrementos
de carga orgánica volumétrica hasta un valor máxi-
mo, disminuyendo posteriormente. En dicho estudio,
Jiménez
et al.
(2006) indican que la disminución en
el rendimiento de metano a determinados valores
de carga orgánica volumétrica, puede ser atribuida
a una inhibición de los microorganismos metanogé-
nicos a altos valores de carga orgánica, debido a la
presencia de sustancias tóxicas en las vinazas (com-
puestos fenólicos), así como a altas concentraciones
de ácidos grasos volátiles en el agua en tratamiento.
Fig. 4.
Rendimiento de CH
4
en el reactor de lecho Fuidizado inverso anaerobio (L±I) a di²erentes cargas orgánicas volumétricas.
DQO = Demanda química de oxígeno, COV = Carga orgánica volumétrica, TRH = Tiempo de residencia hidráulica,
YCH
4
= Rendimiento de metano
12
10
8
6
4
Carga orgánica volumétrica (COV)
Operación en Batch
(por lote)
COV 0.5 g DQO/ L d
COV 1.0 g DQO/ L d
COV 3.3 g DQO/ L d
COV 6.8 g DQO/ L d
COV 10.4 g DQO/ L d
COV 4.0 g DQO/ L d
COV 7.0 g DQO/ L d
TRH 10 díasCOV 6.4 g DQO/ L d
TRH 5 díasCOV 6.4 g DQO/ L d
TRH 1 díasCOV 6.4 g DQO/ L d
Operación en Batch
2
0
05
0
100
150
200
250
Y CH4
CVO
Tiempo (días)
30
03
50
40
04
50
500
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
Rendimiento de metano (Y CH4) (L
CH4
/g DQO removida)
TRATAMIENTO DE VINAZAS EN UN LFI ANAEROBIO
265
Cresson
et al
. (2006), han reportado también que
al tratar vinazas en un reactor anaerobio de lecho
turbulento, hubo una disminución en la efciencia de
remoción y en la actividad metanogénica específca
al alcanzar una carga orgánica volumétrica de 6.0 g
DQO/L
d, además encontraron una acumulación de
ácidos grasos volátiles.
Lo anterior puede ser aplicado también a los resul-
tados obtenidos en este estudio, durante el tratamiento
de las vinazas a TRH de 10, 5 y 1 días, en donde al
emplear vinazas ajustadas a bajas concentraciones
de DQO, se asume que no hubo inhibición de los
microorganismos metanogénicos debido a la posible
disminución en la concentración de ácidos grasos
volátiles y de los compuestos inhibitorios que están
presentes en las vinazas (Zayas
et al
. 2010).
CONCLUSIONES
El LFI empleado en este trabajo permitió el trata-
miento de vinazas crudas con características de pH
cercanos a 4.0 y altas concentraciones de DQO de
hasta 164 g DQO/L en promedio. La operación del
sistema bajo una carga de 6.8 g DQO/L
d permitió una
efciencia de remoción de DQO de 50 %, considerada
aceptable dentro de las efciencias alcanzadas en el
tratamiento anaerobio para eFuentes de alta carga.
A una carga de 6.8 g DQO/L
d, se obtuvo un
rendimiento de metano promedio de 0.2383 LCH
4
/g
DQO
removida
. Cuando el LFI se operó a esta carga, el
tiempo en que alcanzó estabilidad fue menor que en
las cargas anteriores. Por lo anterior, se
considera la
máxima carga de operación del sistema, ya que una
carga mayor causó inestabilidad al reactor.
Para el tratamiento de vinaza cruda a cargas desde
3.3 hasta 6.4 g DQO/L
d, fue necesario emplear altos
valores de tiempos de residencia, desde 23 hasta 50
días. Es importante considerar que la digestión anae-
robia de las vinazas crudas resulta factible e incluso
atractiva desde el punto de vista energético. Sin em-
bargo, la presencia de compuestos inhibitorios en su
composición (que han sido ampliamente estudiados),
puede hacer más lenta la remoción de su contenido
orgánico, por lo que es necesario el empleo de altos
tiempos de residencia.
La operación del LFI a diversos TRH, permitió
determinar que con un TRH de 5 días, a una carga
orgánica volumétrica de 6.4 g DQO/L
d, se obtuvo un
rendimiento de metano promedio de 0.1922 LCH
4
/
gDQO
removida
y una efciencia de remoción de DQO
promedio de 57.42 %, alcanzando estabilidad al fnal
del periodo experimental a este TRH.
Por otro lado, el desarrollo de la biopelícula y el
rendimiento de metano constituyeron parámetros que
permitieron evaluar la efciencia del desempeño del L±I
bajo diferentes cargas orgánicas volumétricas y TRH.
AGRADECIMIENTOS
Se agradece el apoyo al Proyecto de Fondos Mix-
tos del Estado de Veracruz, Clave 41752.
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