Ingeniería de aguas residuales/Diseño de procesos en digestión anaerobia

1. INTRODUCCIÓN

La velocidad de carga orgánica máxima de un proceso anaerobio está limitada por el tiempo de retención y por la actividad de los microorganismos implicados en los mecanismos bioquímicos de degradación de la materia orgánica. Puesto que las bacterias formadoras de metano tienen una velocidad de crecimiento baja, la retención de la biomasa activa es la clave de la operación de los reactores anaerobios avanzados, que permiten operar con bajos tiempos de retención hidráulicos (TRH) y elevados tiempos de retención de sólidos (TRS).

Todas las técnicas actualmente utilizadas se basan en la propiedad de las bacterias de formar flóculos por unión con otras bacterias, o de adherirse sobre superficies sólidas. En este sentido, las técnicas de retención de los microorganismos en el reactor pueden ser:

• Sedimentación interna.

• Sedimentación externa y recirculación.

• Inmovilización sobre superficies sólidas. Con respecto a la actividad de los microorganismos, puede conseguirse un comportamiento óptimo mediante:

• Eliminación de depósitos de material inerte. La mayor parte de las aguas residuales contienen sólidos inertes no degradables cuya acumulación en el digestor hace descender la concentración de la biomasa activa. Este problema puede resolverse utilizando una etapa previa de separación de estos materiales.

• Disminución de las limitaciones relacionadas con el fenómeno de difusión. La actividad de los organismos puede estar limitada por la difusión del sustrato. El proceso de difusión externo se incrementa mediante una adecuada agitación que facilite el contacto bacteria / sustrato. La difusión interna, a través de la capa de microorganismos que forman flóculos o película adherida, se facilita utilizando espesores de biocapa inferiores a 1 mm.

• Aplicación de procesos en varias etapas.

Los diferentes tipos de procesos de tratamiento anaerobio son:

1. ) Reactores monoetapa en los que la biomasa bacteriana no se encuentra soportada.
   1. ) Reactor sin calentamiento y sin mezcla.
   2. ) Reactor de mezcla continua (CSTR).
   3. ) Reactor primario + secundario.
   4. ) Reactor de contacto.
   5. ) Reactor de lecho suspendido (UASB).
2. ) Reactores monoetapa en los que la biomasa bacteriana se encuentra inmovilizada o soportada.
   1. ) Filtro anaerobio.
   2. ) Contactor biológico rotativo anaerobio (AnRBC).
   3. ) Reactor de contacto con material de soporte (CASBER).
   4. ) Reactores híbridos.
   5. ) Reactores de lecho móvil.
      • Reactor de lecho expandido (AAFEB).
      • Reactor de lecho fluidizado (AAFFB).
3. Reactores multietapa.
   1. ) Reactores en paralelo.
   2. ) Reactores en serie.
   3. ) Reactores con separación de fases.

2. REACTOR SIN CALENTAMIENTO Y SIN MEZCLA

Es, sin duda, el más simple y el más antiguo de todos los procesos de digestión.

Este digestor es un gran tanque de almacenamiento, donde no existe ningún elemento capaz de acelerar el proceso. La llegada del influente se realiza intermitentemente. Se trata, por lo tanto, de un reactor de alimentación semicontinua.

La mezcla o agitación en el interior del digestor la llevan a cabo las burbujas de biogás producido en el proceso, en su camino ascendente hacia la superficie. Esta pequeña agitación da lugar a una estratificación en el interior del digestor. Se distinguen principalmente tres zonas:

• Zona superior, donde se encuentran las espumas.

• Zona media, donde se sitúan los sobrenadantes.

• Zona inferior, donde se lleva a cabo el proceso de digestión. El influente digerido se espesa en esta zona y cada cierto tiempo es extraído por la parte central inferior del digestor.

Los líquidos sobrenadantes se extraen por un lateral. Por la parte superior de la cubierta se extrae el gas formado en el proceso. La llegada del influente se realiza por la parte superior.

Los parámetro típicos de operación de este proceso son:

• Densidad de carga orgánica (Kg DQO/m3/d): 0,4 - 1,6.

• Tiempo de retención hidráulico (d): 30 - 60.

Como el TRH es elevado y equivalente al TRS, la concentración de biomasa activa que se puede conseguir es limitada y, por consiguiente, la carga volumétrica y la producción de gas son bajas.

Como no existe en este sistema recirculación de parte del influente digerido, las aguas residuales tienen que contener un inóculo de microorganismos anaerobios, por lo que estos reactores se suelen utilizar en la digestión de vertidos que contienen estiércoles. Son, pues, digestores típicamente rurales.

3. REACTOR DE MEZCLA CONTINUA (CSTR)

Este tipo de reactores empezó a desarrollarse a partir de que las experiencias realizadas en laboratorio demostraron que el calentamiento, la mezcla y la alimentación uniforme, favorecían el proceso de digestión. Como consecuencia de estas mejoras, el volumen del digestor se reduce.

Son reactores relativamente simples, calentados, de mezcla completa y sin recirculación de parte del influente digerido. En este caso, el TRH es también igual al TRS.

Para un tratamiento efectivo del influente, este tipo de reactores requiere largos TRH, ya que carecen de medios específicos de retención de la biomasa activa. Con la reducción del TRH en un digestor de mezcla completa, la cantidad de microorganismos dentro del digestor también disminuye, ya que son lavados con el efluente. El tiempo de retención hidráulico crítico (TRC) se alcanza cuando las bacterias son extraídas del reactor a una velocidad mayor a la que éstas se reproducen. Dado que las bacterias formadoras de metano son de más lento crecimiento que las bacterias formadoras de ácidos, las primeras son consideradas como el componente limitante en el proceso de digestión anaerobia. Necesitan largos TRS (y, por lo tanto, largos TRH), con valores mínimos alrededor de 3 a 5 días a 35 ºC. Para asegurar el funcionamiento del proceso, los TRH suelen variar entre 10 y 30 días a 35 ºC.

Las características operacionales de este proceso son:

• Densidad de carga orgánica (Kg DQO/m3/d): 1 - 6.

• Concentración en el interior (g SSV/l): 2 - 5.

• Concentración en el efluente (g SS/l): 25 - 100.

• Tiempo de retención hidráulico (d): 10 - 30.

• Tiempo de arranque (d): 30 - 90.

Estos reactores se aplican, básicamente, en el tratamiento de fangos de aguas residuales urbanas, y de influentes con estiércoles y aquellos provenientes de actividades agrícolas o agroindustriales.

4. REACTOR PRIMARIO + SECUNDARIO

Un digestor de mezcla completa (digestor primario) puede estar acoplado en serie con un segundo tanque de digestión (digestor secundario). Tradicionalmente, este segundo tanque es de un diseño similar al primario, y se diferencia de éste en que no lleva equipos de agitación ni de calentamiento. La principal misión de esta segunda unidad es la de concentrar el influente digerido y eliminar el líquido sobrenadante. Con esto se consigue disminuir el volumen de lodo que se envía a los siguientes procesos de tratamiento.

La reducción de sólidos y la formación de gas en esta segunda unidad es casi despreciable. El rendimiento obtenido en estos digestores secundarios es muy pequeño, y se debe a dos factores:

1. ) El influente digerido que llega a esta unidad tiene un alto contenido de gas ocluido, que tiende a subir a la superficie, arrastrando partículas de sólidos que escaparán con los sobrenadantes.
2. ) Por efecto de la agitación y mezcla que se produce en el digestor primario, las partículas sólidas se rompen formando otras de tamaño más pequeño. Estas partículas decantan muy mal y se quedan en la superficie donde se van con el sobrenadante.

Estos sobrenadantes son de muy baja calidad, con una gran cantidad de sólidos.

Este problema puede evitarse sometiendo a este líquido a un tratamiento independiente antes de recircularlos a cabecera como, por ejemplo, a una laguna de oxidación, a un biodisco, etc.

En definitiva, la misión de estos digestores secundarios, con más o menos eficacia, es la de:

1. ) Espesar el influente digerido.
2. ) Servir de reserva al digestor primario, lo que obligaría a colocar equipos de calentamiento y mezcla.
3. ) Almacenar el influente digerido.
4. ) Constituir un margen de seguridad para evitar la fuga de influentes no digeridos.
5. ) Reducir gérmenes patógenos

5. REACTOR DE CONTACTO

La primera mejora del proceso anaerobio consistió en la separación del TRS del TRH. Separando el TRS del TRH, el volumen del digestor se reduce y la densidad de carga orgánica o la velocidad de carga orgánica a tratar se incrementa. Por lo tanto, aguas residuales relativamente cargadas, pueden ser tratadas a bajos TRHs, pero manteniendo el TRS requerido para el desarrollo de bacterias metanogénicas.

En este sentido, el primer proceso anaerobio que separó el TRS del TRH fue la digestión de contacto anaerobia, similar en su configuración al sistema de fangos activados.

Este proceso comprende la alimentación continua de un reactor de mezcla completa seguido de un clarificador o separador sólido/líquido. Parte del lodo digerido y sedimentado se recircula al digestor, donde se mezcla con el influente no digerido. La reinoculación de una biomasa bien aclimatada permite mantener óptimas condiciones de funcionamiento del proceso, sobre todo en aguas residuales industriales. Estas a diferencia de la urbanas, no contienen generalmente un alta proporción de microorganismos.

En este proceso la operación esencial es la separación sólido/líquido, lo cual ofrece serios problemas, dadas las características de este tipo de lodos, y el continuo desprendimiento de burbujas de gas que dificulta enormemente el proceso de separación (ver punto 4), por lo que hay que recurrir previamente a sistemas de desgasificación. El uso de la técnica de stripping o el enfriamiento del influente digerido en su camino hacia el clarificador puede disminuir este problema. Una reducción en la temperatura de 35 a 15 ºC detiene la producción de gas en el clarificador y favorece la floculación de los sólidos. Esto último también puede conseguirse mediante el uso de coagulantes, tales como el hidróxido sódico seguido de cloruro férrico. También se utilizan membranas de ultrafiltración para conseguir una alta retención celular.

Los parámetro típicos de operación de este proceso son:

• Densidad de carga orgánica (Kg DQO/m3/d): 2 - 10.

• Concentración en el interior (g SSV/l): 5 - 10.

• Concentración en el efluente (g SS/l): 0,5 - 20.

• Tiempo de retención hidráulico (d): 1 - 5.

• Tiempo de arranque (d): 20 - 60.

6. REACTOR DE FLUJO SUSPENDIDO (UASB)

En este tipo de sistemas, las bacterias se desarrollan como una masa floculante en un flujo ascendente del influente. El lecho bacteriano es retenido por su propia masa y por pequeñas partículas presentes en el influente en la parte inferior del reactor, mientras que el gas y el efluente escapan por la parte superior del mismo. Como la disociación de la biomasa bacteriana ocurre en cierto grado, parte de los organismos se pierden por el efluente. Sin embargo, y aunque el TRH es bajo, el TRS es lo suficientemente prolongado para que se desarrolle una densa masa de microorganismos metanogénicos.

En un reactor UASB, la biomasa bacteriana esta presente en forma de granos o glomérulos compactos de hasta 3 - 4 mm, que se desarrollan bajo condiciones de flujo ascendente continuo mediante mecanismos no bien conocidos.

Una de las dos claves principales para mantener un elevado tiempo de retención del fango es la obtención de un fango con buenas características de sedimentación. Auténticos gránulos de tamaño considerables se forman después de uno o dos meses de funcionamiento del sistema. Las características de sedimentación del fango aumentan si el mecanismo de agitación del fango es mínimo o nulo. La concentración de fango en la zona inferior del reactor puede ser de hasta 40 - 70 g SSV/l, y las partículas llegan a alcanzar una velocidad de sedimentación de hasta 50 m/h. Sobre este lecho de fango se desarrolla otro lecho. Este último está formado por gránulos más pequeños, flóculos y burbujas de gas y se encuentra estratificado, siendo más denso y con granos más grandes en su zona inferior y menos denso y con gránulos más pequeños en su zona superior.

La segunda clave para el óptimo funcionamiento de este tipo de sistema es la instalación de un separador sólido/gas en la parte superior del reactor. Este sedimentador/desgasificador actúa como un sedimentador interno, y evita la fuga de los flóculos de pequeño tamaño que ascienden adheridos a las burbujas de gas.

Las características operacionales de este proceso son:

• Densidad de carga orgánica (Kg DQO/m3/d): 5 - 30.

• Tiempo de retención hidráulico (d): 0,2 - 2.

• Concentración media en el interior (g SSV/l): 20 - 40.

• Concentración en el efluente (g SS/l): 0 - 5.

• Tiempo de arranque (d): 30 - 60.

• Velocidad vertical ascendente (m/h): 0,6 - 0,9.

La elevadas cargas orgánicas que admite este tipo de reactores hace que se hayan empleado de manera efectiva en el tratamiento de aguas residuales procedentes de la industria alimentaría.

7. FILTRO ANAEROBIO

En un sistema de filtro anaerobio (también llamado sistema de película fija o de lecho fijo) la biomasa bacteriana se encuentra, en parte, inmovilizada en un material de soporte fijo en el reactor biológico, y en parte en suspensión entre los espacios vacíos que restan (la mayor proporción).

El flujo del influente es normalmente vertical, bien ascendente y el propio material de relleno actúa como separador de gas, que se recoge en la parte superior, proporcionando zonas de reposo para la sedimentación de los sólidos que se encuentran en suspensión.

La rugosidad del material de soporte, su grado de porosidad, así como el tamaño del poro, afecta a la tasa de colonización de la población microbiana. Los materiales utilizados pueden ser ladrillos, granito, vinilos, poliésteres, poliuteranos, materiales cerámicos, de vidrio, etc.

En los reactores de flujo ascendente la mayor parte de la biomasa bacteriana se acumula como flóculos, mientras que en los de flujo descendente, la biomasa está casi totalmente retenida en las paredes del reactor y el material de soporte.

El filtro anaerobio es aconsejable para aguas residuales con carga orgánica moderada soluble o que se degrade fácilmente en compuestos solubles y, también, para aguas con elevada carga orgánica soluble que pueda ser diluida con recirculación de efluente. Los filtros con flujo descendente no pueden usarse para tratar aguas con fracciones apreciables de sólidos en suspensión, ya que pueden provocar problemas de atascos.

Los parámetro típicos de operación de este proceso son:

• Densidad de carga orgánica (Kg DQO/m3/d): 0,15 - 30.

• Concentración en el interior (g SSV/l): 10 - 20.

• Concentración en el efluente (g SS/l): 0 - 10.

• Tiempo de retención hidráulico: 0,5 - 2.

• Tiempo de arranque (d): 20 - 70.

8. CONTACTORES BIOLOGICOS ROTATIVOS ANAEROBIOS (AnRBC)

En este caso, la biomasa bacteriana se encuentra soportada sobre un material inerte, configurado a modo de discos paralelos (biodiscos), de jaulas cilíndricas rellenas de diversos materiales (biocilindros), o tambores recorridos internamente por canales (biorrotores). Estos dispositivos se encuentran total o casi totalmente sumergidos, rotando continuamente sobre un eje horizontal, en un tanque cerrado a través del cual fluye el agua residual. La rotación continuada permite la mezcla dentro del tanque y facilita la transferencia del biogás producido a la zona superior del tanque.

La velocidad de rotación ejerce cierto control sobre el grosor de la biopelícula, y suele ser entre 1 y 7 rpm, producida por un mecanismo mecánico o una soplante.

Cuando el espesor de la biopelícula alcanza un determinado grosor, los organismos más en el interior en contacto con el soporte, mueren por falta de nutrientes y las fuerzas hidráulica que ejerce el flujo de influente y la rotación desprenden la biopelícula. Esta materia orgánica es arrastrada por el agua y separada mediante sedimentación por un separador sólido/líquido.

Las características operacionales de este proceso no están bien establecidas, al no estar muy extendido su uso.

9. REACTOR DE CONTACTO CON MATERIAL DE SOPORTE (CASBER)

Este proceso es esencialmente idéntico al contacto interno, peor con la incorporación de un material inerte en el digestor.

En este caso, la adición de material de soporte es extremadamente limitada en comparación con la cantidad usada comúnmente en, por ejemplo, los reactores de lecho fluidizado.

Las partículas utilizadas suelen tener un diámetro entre 5 y 25 mm, tienen una baja velocidad de sedimentación y, por lo tanto, pueden mantenerse en suspensión con un bajo grado de agitación. Un pequeño porcentaje de bacterias es soportada en estas partículas, que pueden ser arenas, plásticos, etc., mientras que un porcentaje sustancial de la biomasa activa permanece como flóculos en suspensión.

Como en el caso del sistema de contacto interno, la fase principal del proceso es la separación sólido/líquido.

Los parámetro típicos de operación de este proceso son:

• Densidad de carga orgánica (Kg DQO/m3/d): 4 - 25.

• Concentración en el interior (g SSV/l): 5 - 15.

• Concentración en el efluente (g SS/l): 0,5 - 10.

• Tiempo de retención hidráulico (d): 0,25 - 2.

• Tiempo de arranque (d): 20 - 60.

Este proceso es extraordinariamente adecuado para aguas residuales con alta carga de residuos fácilmente hidrolizables, como las de la industria alimentaría.

10. REACTORES HÍBRIDOS

En los últimos años se ha desarrollado un tipo de reactores que combina características del sistema de lecho suspendido y del filtro anaerobio de flujo ascendente. La parte correspondiente a éste último comprende el tercio superior del reactor y su función más importante no es tanto el aumento en el rendimiento de la operación como la posibilidad de retención de la biomasa. De esta manera se trata de sumar las ventajas del reactor UASB (altas cargas y simplicidad) con las del filtro anaerobio (altas cargas y resistencia a las sobrecargas).

11. REACTORES DE LECHO MÓVIL

El tratamiento biológico efectivo de aguas residuales industriales y de otro tipo de influentes requiere de sistemas que aseguren un amplio rango de tolerancia a fluctuaciones en las condiciones de operación. El pH, la densidad de carga y la temperatura, pueden variar afectando a la actividad y viabilidad de las poblaciones bacteriana presentes en el reactor anaerobio. Esto hace que los procesos de película fija se consideren, en general, más resistentes que otros sistemas alternativos a cambios en los parámetros de operación del proceso por su capacidad para retener la biomasa.

La degradación anaerobia de aguas residuales está limitada en los sistemas de crecimiento bacteriano en suspensión por la concentración que puede alcanzar el lodo en el reactor, aunque estos problemas pueden reducirse, en cierta manera, con la sedimentación y recirculación del mismo.

Los sistemas de filtro bacteriano dependen de la inmovilización de la biomasa bacteriana, y para minimizar pérdidas de presión y problemas de oclusiones por sólidos, el material fijo tiene diámetros bastante grandes, lo que limita la superficie colonizada por m3 de reactor alrededor de 200 m2/m3. Estos problemas quedan superados con los sistemas de lecho expandido y fluidizado donde el tamaño del diámetro empleado permite acumular elevadas biomasas bacterianas alrededor de las partículas de soporte. Estos sistemas también reducen los problemas de atascos y los tiempos requeridos para el tratamiento.

La distinción entre lecho expandido y lecho fluidizado es difusa, si bien se considera expandido cuando la expansión del lecho es menor al 20% del total y fluidizado cuando es superior. La velocidad ascendente es la que determina el grado de expansión del lecho.

11.1. Reactores de lecho expandido

En este tipo de reactores, la formación de biomasa puede alcanzar los 30 kg/m3.

La cantidad de material de soporte añadido es alrededor del 10% de volumen del digestor y el diámetro de las partículas es de 0,3 a 3,0 mm.

La velocidad vertical necesaria es de 2 - 10 m/h y es generada por una elevada recirculación del efluente. La expansión del lecho es sostenida hasta un nivel en el que cada partícula mantienen una posición fija en el lecho.

Los parámetro típicos de operación de este proceso son:

• Densidad de carga orgánica (Kg DQO/m3/d): 5 - 50.

• Concentración en el interior (g SSV/l): 10 - 30.

• Concentración en el efluente (g SS/l): 0 - 5.

• Tiempo de retención hidráulico (h): 1 - 10.

• Tiempo de arranque (d): 30 - 70.

La mayor parte de las ventajas atribuibles a este sistema derivan de la elevada concentración de biomasa activa sobre las partículas de soporte y las elevadas tasas de recirculación, lo que hace al digestor menos sensible a componentes tóxicos del influente. De ahí el interés de su uso en el tratamiento de aguas residuales industriales de diversos tipos.

11.2. Reactores de lecho fluidizado

En este caso la elevada velocidad ascensional (6 - 20) m/h expande el lecho hasta un punto en el que la fuerza de gravedad y la fuerza de rozamiento se igualan. Para esto se necesita una elevadísima tasa de recirculación del influente y las partículas de soporte no tienen una posición fija dentro del lecho, si bien se mantienen dentro de un volumen restringido.

La cantidad de material de soporte añadido es alrededor del 10% de volumen del digestor y el diámetro de las partículas es de 0,2 a 0,7 mm. La enorme superficie activa que puede alcanzarse con el uso de partículas de pequeño diámetro y el grado de fluidización, que permite la colonización bacteriana en toda la superficie de la partícula (del 95 al 100% de la biomasa se encuentra adherida al ellas) aumenta enormemente la superficie disponible, que puede alcanzar de 1.000 a 2.500 m2/m3.

Los parámetro típicos de operación de este proceso son:

• Densidad de carga orgánica (Kg DQO/m3/d): 5 - 50.

• Concentración en el interior (g SSV/l): 10 - 40.

• Concentración en el efluente (g SS/l): 0 - 5.

• Tiempo de retención hidráulico (h): 1 - 10.

• Tiempo de arranque (d): 30 - 70.

La mayor parte de las ventajas atribuibles a este sistema derivan de la elevada concentración de biomasa activa sobre diminutas partículas de soporte, las elevadas tasas de recirculación, el máximo contacto entre la biopelícula y el líquido a tratar, y la minimización de los problemas de la difusión.

12. REACTORES MULTIETAPA

Los sistemas multietapa han demostrado ser de extraordinaria aplicación en el tratamiento de determinadas aguas residuales industriales, ya que permiten variar los tiempos de retención en los distintos digestores, reducir el tiempo de arranque y las pérdidas de biomasa, así como aumentar la capacidad del tratamiento y los rendimientos.

Procesos en paralelo parecen ser útiles en aquellas aguas residuales con una fracción importante de residuos particulados, de tal manera que uno de los digestores puede reservarse únicamente al tratamiento de éstos, con tiempos de retención mayores que el digestor de las fracción soluble.

Filtro anaerobios y reactores de lecho fluidizado en serie han sido utilizados usando la primera etapa para la aclimatación inicial de los microorganismos y su posterior inoculación de la segunda etapa, disminuyendo así el tiempo de arranque del proceso.

Los sistemas multietapa en fase presenta una gran ventaja sobre las configuraciones anteriores: separan en digestores diferentes las bacterias acidogénicas de las metanogénicas, generando en cada digestor las condiciones óptimas de crecimiento para cada tipo de bacteria. Para que esta configuración funcione, las condiciones en el primer digestor tienen que ser lo suficientemente desfavorables para que las bacterias metanogénicas sólo se desarrollen en el segundo digestor.

13. COMPONENTES DEL PROCESO DE DIGESTIÓN ANAEROBIA

13.2. El digestor

Los tanques de digestión pueden tener forma cilíndrica, cúbica, ovoide o rectangular, aunque la mayor parte de los tanques que se construyen en la actualidad son cilíndricos. El suelo del tanque está inclinado, para que la arena, el material inorgánico sedimentable y la fracción pesada del efluente puedan ser extraídos del tanque. Los digestores modernos tienen cubiertas, fijas o flotantes, cuya misión es impedir que escapen olores, conservar la temperatura, evitar la entrada de oxígeno y recoger el gas producido.

Entrada del influente.

Normalmente, el influente se introduce por la parte superior del digestor y el sobrenadante se extrae por el lado contrario.

Salida del efluente.

En un digestor de cubierta fija puede haber de 3 a 5 tubos de sobrenadante colocados a distintos niveles, o un único tubo con válvulas a distintos niveles, para la extracción del mismo. Por regla general, se elige aquel nivel que extraiga un efluente de mejor calidad (con la menor cantidad posible de sólidos), para reenviarlo a cabecera de la E.D.A.R. o a las eras de secado, si hay espacio disponible.

Extracción de lodos.

Las tuberías de extracción de fangos suelen estar colocadas sobre bloques a lo largo del suelo inclinado del digestor. El fango se extrae por el centro del tanque. Estas tuberías tienen, por lo general, 15 cm de diámetro o van equipadas con válvulas tapón para evitar obstrucciones, y se utilizan para llevar periódicamente el fango del digestor a un sistema de evacuación de fangos. Estas tuberías transportan también fangos de reserva desde el digestor secundario al primario y recirculan el fango del fondo para remover y romper la costra.

13.3. Sistema de gas

El proceso de digestión anaerobia produce de 400 a 700 litros de gas por cada kilogramo de materia orgánica destruida, según las características del influente. El gas se compone fundamentalmente de metano y anhídrido carbónico. El contenido en metano del gas de un digestor que funcione adecuadamente variará del 65% al 70% en volumen, con una oscilación en el anhídrido carbónico del 30% al 35%. Uno o dos por ciento del gas del digestor se compone de otros gases.

Debido a la presencia de metano el gas del digestor posee un poder calorífico aproximado de 500 a 600 kilocalorías por litro.

El gas del digestor puede ser utilizado en la estación depuradora de diversos modos:

• Para calentar los digestores.

• En la calefacción de los edificios.

• Como combustible de los motores para las soplantes del proceso de fangos activados.

• Para producir la energía eléctrica de la instalación.

El gas del digestor puede ser extremadamente peligroso en dos aspectos. La mezcla de gas y aire en proporciones comprendidas entre el 5,5 y el 13,5% es explosiva y puede también causar asfixias por agotamiento de oxígeno. Por lo tanto, en las instalaciones de bombeo de fangos y cerca de los digestores estará prohibido encender fuego, fumar o provocar chispas.

El sistema de gas lo traslada desde el digestor hasta los puntos de consumo o al quemador de gases en exceso. El sistema de gas se compone de las siguientes partes:

• Cúpula de gas.

• Válvulas de seguridad y rompedora de vacío.

• Apagallamas.

• Válvulas térmicas.

• Separadores de sedimentos.

• Purgadores de condensado.

• Medidores de gas.

• Manómetros.

• Reguladores de presión.

• Almacenamiento del gas.

• Quemador de los gases sobrantes.

Cúpula de gas.

Es un punto en el techo del digestor desde el cual se extrae el gas del tanque. En los tanques de cubierta fija puede haber también un cierre de agua incorporado, para proteger la estructura del tanque del exceso de presión positiva o negativa (vacío) creada por la extracción del fango o del gas demasiado rápidamente.

Si la presión de gas sube por encima de los 30 cm de columna de agua, se escapará a través del cierre de agua hacia la atmósfera, sin levantar la cubierta. Si se extrae el fango o se utiliza el gas con demasiada rapidez, el vacío puede pasar de los 20 cm y romper el cierre de agua, permitiendo la entrada del aire en el tanque. Sin el cierre de agua el vacío aumentaría enormemente y destrozaría el tanque.

La tubería entre el tanque de almacenaje de gas y el digestor puede también proteger a éste de las pérdidas del cierre de agua, si el paso no está cortado. Cuando se introducen líquidos en el digestor, el gas puede salir por la tubería hacia el tanque de almacenaje y cuando se extraen del digestor, el gas puede volver al tanque a través de la misma conducción.

Válvulas de seguridad y rompedora de vacío.

La válvula de seguridad y la rompedora de vacío van colocadas sobre la misma tubería, pero cada una trabaja independientemente.

La válvula de seguridad consta de un plato cargado con arandelas de peso calibrado. La combinación de estos pesos junto con el peso del plato debe igualar la presión de gas de proyecto del tanque (normalmente entre 15 y 20 cm de columna de agua). Si la presión de gas en el tanque excede de este límite, la válvula se abrirá y dejará escapar gas durante un par de minutos. Ello debe ocurrir antes de que se rompa el cierre de agua. El cierre de agua se puede romper cuando la alimentación del tanque sea excesiva o cuando la extracción del gas sea demasiado lenta.

La válvula rompedora de vacío funciona de manera idéntica, excepto en que alivia las presiones negativas para evitar el colapso del tanque.

Apagallamas.

El apagallamas típico es una caja rectangular que contiene aproximadamente de 50 a 100 placas de aluminio corrugado con agujeros taladrados. Si se ocasionara alguna llama en la tubería del gas, se enfriaría por debajo del punto de ignicción al pasar a través de los deflectores, pero el gas podría seguir pasando con poca pérdida de carga.

Para evitar explosiones deben de instalarse apagallamas:

• Entre las válvulas de seguridad y rompedora de vacío y en la cúpula del digestor.

• Después del purgador de sedimentos, en la tubería de gas del digestor.

• En el quemador de gases en el exceso.

• Delante de cada caldera, horno o llama.

Válvulas térmicas.

Se trata de otro dispositivo de protección instalado cerca de una fuente de llama y cerca de la cúpula de gas. Este tipo de válvulas son redondas, con un plato de cierre unido al accionamiento, por un muelle vástago. El vástago apoya sobre un disco fusible que mantiene el plato unido. Si la llama genera el calor suficiente, el elemento fusible se funde y el muelle acciona el vástago hasta que el plato asienta, para cortar el paso del gas.

Separadores de sedimentos.

Un separador de sedimentos es un recipiente de 30 a 40 cm de diámetro y 60 a 90 cm de longitud. Está situado, generalmente, en la parte superior del digestor, cerca de la cúpula de gas, y está equipado también con un deflector interior perforado, y un drenaje de condensados cerca del fondo. El gas entra por la parte superior de un lateral del tanque, desciende, atraviesa el deflector, vuelve a subir y sale por la parte superior. La humedad del gas y todos los trozos grandes de incrustaciones quedan retenidos aquí antes de entrar en el sistema de gas.

Purgadores de condensado.

El gas del digestor está bastante húmedo, y en su recorrido desde el tanque caliente hasta zonas de temperatura más bajas el agua se condensa. Este agua debe recorrerse en los puntos bajos del sistema, ya que de lo contrario impedirá que el gas circule, causará daño en algunos equipos como los compresores, e interferirá en la posterior utilización del gas. Estos purgadores disponen generalmente de una capacidad de un cuarto o medio litro de agua.

Medidores de gas.

Los medidores de gas pueden ser de diversos tipos, como fuelles, diagramas de flujo en paralelo, molinetes y placas de orificios o presión de diferencial.

Manómetros.

Los manómetros se instalan en varios puntos del sistema para indicar la presión del gas en centímetros de columna de agua.

Reguladores de presión.

Se instalan, generalmente, antes y después del quemador de gases en exceso. Estos reguladores suelen ser del tipo diafragma y controlan la presión en todo el sistema de gas del digestor. Están normalmente tarados a 20 cm de columna de agua, ajustando la tensión del muelle sobre el diafragma. Si la presión de gas en el sistema es inferior a 20 cm de columna de agua, no llegará gas al quemador. Cuando la presión del gas alcance los 20 de columna de agua, el regulador se abre ligeramente, dejando que el gas pase al quemador. Si la presión continua aumentando, el regulador se abre aún más para compensar.

Los reguladores de gas están también situados en otros puntos del sistema, para regular la presión de gas en las calderas, calentadores y motores.

Almacenamiento del gas.

El gas producido en la digestión anaerobia se almacena en gasómetros, bien a presión bien de cubierta flotante.

• Gasómetros a presión. El gas que se produce en el digestor es enviado por medio de compresores a depósitos donde queda almacenado a presión. Posteriormente, es extraido de estos depósitos y enviado a las instalaciones de reutilización o de quemado. La presión de almacenamiento es, aproximadamente, de 3,4 atmósferas, lo que permite disminuir el volumen de gas a una tercera parte de lo que ocupa en el digestor.

• Gasómetros de cubierta flotante. Almacenan el gas variando su altura. En estos gasómetros los gases se mantienen a una presión baja aproximada de 200 mm de columna de agua. Consisten en una campana flotante, similar a la cubierta flotante de un digestor primario. Una serie de ruedas permiten que la cubierta pueda deslizarse libremente hacia arriba o hacia abajo, según la cantidad de gas almacenado. Estas ruedas deslizan sobre unos perfiles de acero que actúan como guías de la campana.

Quemador de los gases sobrantes.

El quemador de gases se utiliza para eliminar los gases en exceso del sistema de digestión. Va provisto de una llama piloto de quemado continuo, para que cualquier exceso de gas que pase por el regulador se queme.

13.4. Muestreador

El muestreador consiste en una tubería de 8 ó 10 cm de diámetro con una tapa de cierre con bisagras que penetra en el tanque de digestión, a través de la zona de gas, y que está siempre sumergida unos 30 cm en el fango del digestor. Esto permite la toma de muestras del fango del digestor, sin pérdida de presión de gas, y sin crear condiciones peligrosas causadas por la mezcla de aire y gas del digestor.

13.5. Sistema de calentamiento del digestor

Un digestor puede funcionar a cualquier temperatura, sin embargo, el tiempo que tarda en completar la digestión es variable y está en relación con ella. A medida que aumenta la temperatura, disminuye el tiempo necesario para que se produzca la estabilización del fango. En general, los digestores modernos funcionan en un rango de temperaturas medias, entre 35 y 37ºC.

Los digestores se pueden calentar de diversos modos, aunque las instalaciones actuales están dotadas, en general, de digestores que se calientan por medio de la recirculación de fangos del digestor a través de un intercambiador exterior de agua caliente. El gas del digestor se usa como combustible en la caldera, cuya temperatura óptima de operación es de 60 a 80ºC. El agua caliente se bombea desde la caldera al intercambiador de calor, donde cede su calor al fango recirculante. En algunos equipos la caldera y el intercambiador de calor están combinados y el fango pasa también a través del equipo.

13.6. Mezclado del digestor

El mezclado es muy importante en un digestor. Un buen equipo mezclador acelera en gran manera la digestión, porque consigue los siguientes objetivos:

• Inoculación (introducción de un cultivo biológico) inmediata del influente con microorganismos.

• Prevención de la formación de costras.

• Mantenimiento de la homogeneidad del contenido del tanque, es decir, distribución de alimentos, organismos, alcalinidad, calor y productos bacterianos de desecho.

• Utilización máxima del contenido total del digestor y disminución de sólidos inertes en el fondo.

En los tanques de digestión la agitación o mezcla puede conseguirse bien por recirculación de gas bien por sistemas mecánicos girando a baja velocidad.

Mezclado por gas.

Este tipo de mezclado es el que se utiliza generalmente en la actualidad. El propio gas extraído del tanque es comprimido y descargado dentro del digestor a través de unos orificios situados varios metros bajo la superficie del fango. El gas, que sube a la superficie a través del fango en digestión, lleva fango con él, creando una recirculación rotativa dentro del tanque.

Los componentes necesarios para el mezclado por gas son tuberías de entrada y descarga de gas, un compresor, y un distribuidor de acero inoxidable dentro del digestor.

Mezclado mecánico.

Este tipo de mezclado es menos utilizado ya que, en general, presenta problemas de corrosiones y de formación de costras. Además, los consumos energéticos pueden ser elevados en el caso de digestores grandes.