Biodigestion anaerobea de lodos

1. TESIS PARA OPTAR EL GRADO ACADÉMICO DE LICENCIATURA EN
INGENIERÍA CIVIL
POSTULANTE: FABIOLA FIGUEROA G.
BIODIGESTIÓN ANAEROBIA DE LODOS RESIDUALES PARA LA
PRODUCCIÓN DE METANO COMO COMBUSTIBLE DE
GENERADORES ELÉCTRICOS DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO DE
AGUAS RESIDUALES ELAPAS DE LA CIUDAD DE SUCRE

2. INTRODUCCIÓN

3. OBJETIVO GENERAL
Proponer el diseño de un biodigestor anaerobio de lodos residuales
que permita aprovechar la energía generada en el proceso de
tratamiento y digestión.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Determinar las características físicas, químicas y microbiológicas de
los lodos residuales, mediante ensayos y pruebas de laboratorio.
• Calcular la cantidad de metano producido por el biodigestor.
• Calcular la energía eléctrica que puede generarse utilizando el
metano como combustible.
• Analizar la reducción del costo de energía eléctrica de la planta de
tratamiento si se implementa el biodigestor.

4. 1. MARCO TEÓRICO
LODOS PROVENIENTES DE PLANTAS DE TRATAMIENTO DE
AGUAS RESIDUALES
“Lodos que han sido sometidos a procesos de estabilización y que, por
su contenido de materia orgánica, nutrientes y características
adquiridas después de su estabilización, puedan ser susceptibles de
aprovechamiento” (Norma mexicana).
CARACTERÍSTICAS DEL LODO PRIMARIO
FUENTE: (Metcalf-&-Eddy, 2003).
CARACTERÍSTICAS
FANGO PRIMARIO CRUDO FANGO PRIMARIO DIGERIDO
INTERVALO VALOR
TÍPICO
INTERVALO VALOR
TÍPICO
Sólidos secos totales (ST), % 2,0 - 8,0 5,0 6,0 - 12,0 10,0
Sólidos volátiles (% de ST) 60 - 80 65 30 - 60 40
pH 5,0 - 8,0 6,0 6,5 - 7,5 7,0
Poder calorífico (MJ/kg) 23.000 - 29.000 25.500 9.000 - 13.500 11.500

5. BIODIGESTIÓN ANAEROBIA DE LODOS RESIDUALES
“La digestión anaerobia es un proceso en el cual la materia orgánica,
en ausencia de oxígeno, y mediante la acción de un grupo de bacterias
específicas, se descompone en biogás (CH4, CO2, H2, H2S, etc.), y
en digestato, que es una mezcla de productos minerales (N, P, K, Ca,
etc.) y compuestos de difícil degradación” (Ph D. Yánez).
PROCESO DE DIGESTIÓN
Las etapas que conforman el
proceso de digestión son: la
hidrólisis, la acidogénesis,
acetogénesis y las
metanogénesis.
FACTORES A CONSIDERAR
La temperatura.
Valor pH.
Promotores e inhibidores.

6. TECNOLOGÍA PARA LA PRODUCCIÓN DE BIOGÁS
BIODIGESTORES
Se les llama biodigestores a los depósitos en los que tiene lugar la
digestión anaerobia aprovechando el recurso de la Biomasa; a grandes
rasgos se pueden definir como recipientes o tanques que permiten la
carga de sustratos y descarga de bio abono (efluente) y también
poseen un sistema de recolección de biogás para su aprovechamiento
energético (Moncayo, 2005).

7. PARÁMETROS DE DISEÑO
TIEMPO DE RETENCIÓN CELULAR (θc)
TIEMPOS DE RETENCIÓN CELULAR RECOMENDADOS PARA
EL DISEÑO DE DIGESTORES DE MEZCLA COMPLETA
FUENTE: (Metcalf-&-Eddy, 2003)
CARGA ORGÁNICA
Para el autor Jairo Romero la carga convencional se encuentra en 0,5
a 1,6 kg SV/m3d y una alta carga se encuentra entre 1,6 a 8 kg
SV/m3d. Mientras Fabián Yánes propone que la carga convencional
está entre 0,32 a 1,6 kg SV/m3d y de 1,6 a 4,8 kg SV/m3d para la alta
carga.
TEMPERATURA DE θ, DÍAS θс, DÍAS (RECOMENDADO
FUNCIONAMIENTO °C (MÍNIMO) PARA EL PROYECTO)
18 11 28
24 8 20
30 6 14
35 4 10
40 4 10

8. 2. DIAGNÓTICO Y RESULTADOS
DESCRIPCIÓN DEL ÁREA DE ESTUDIO
FUENTE: Google Earth, 2017.

9. ÁREAS DE CONVERSIÓN DE LODOS

10. TOMA DE MUESTRA
La muestra utilizada para los análisis de laboratorio fue tomada en
fecha 30 de agosto de 2017, proveniente del tanque Imhoff N°5 a
horas 12:05pm.
Los parámetros analizados en sitio fueron la temperatura y el pH, la
muestra de lodo tenía una temperatura de 20,1 °C y un pH de 6,74.

11. TOMA DE MUESTRA

12. ANÁLISIS DE LA MUESTRA
ANÁLISIS FÍSICOS
RESULTADOS ANÁLISIS FÍSICOS SEMANALES
FUENTE: Elaboración propia.
RESULTADOS ANÁLISIS FÍSICOS DIARIOS
FUENTE: Elaboración propia.
PROMEDIO MÁXIMO
S.T. S.V. S.T. S.V. VOLUMEN S.T. S.V. VOLUMEN
[%] [%ST] [kg] [kg] [mᵌ] [kg] [kg] [mᵌ]
3,7 59 6221,0 3672,2 143,6 8405,9 5104,7 247,73
PROMEDIO MÁXIMO
S.T. S.V. S.T. S.V. VOLUMEN S.T. S.V. VOLUMEN
[%] [%ST] [kg] [kg] [mᵌ] [kg] [kg] [mᵌ]
3,7 59 888,7 524,60 20,52 1200,84 729,25 35,39

13. ANÁLISIS QUÍMICOS
RESULTADOS ANÁLISIS QUÍMICOS
FUENTE: Laboratorio Envirolab
PARÁMETRO VALOR UNIDAD NORMA
DBO 12864 mg/l DIN 38409 T 51 MOD
DQO 15520 mg/l ASTM 1252-00
CARBONO ORGÁNICO TOTAL 3824 mg/l ASTM 1252-00
NITRÓGENO TOTAL 497 mg/l ASTM 3590-89
PLOMO 0,68 mg/l ASTM D 3559-02A
ARSÉNICO 0,021 mg/l ASTM D 2972-03B
CROMO TOTAL 0,04 mg/l ASTM D 1687-02B
NÍQUEL 0,15 mg/l ASTM D 1886-03A
AMONIACO 2,05 mg/l ASTM D 1426-03
MERCURIO <0,001 mg/l ASTM D 3223-02
CALCIO 129 mg/l SM 3500-D
FÓFORO TOTAL 49,54 mg/l EPA 365.2
MAGNESIO 2,78 mg/l
CADMIO 0,024 mg/l PROC-TC-015
COBRE 1,74 mg/l PROC-TC-012
ZINC 10,4 mg/l PROC-TC-015

14. CONCENTRACIÓN DE AGENTES INHIBIDORES
FUENTE: Laboratorio Envirolab
METALES PESADOS EN EL LODO
FUENTE: Laboratorio Envirolab
INHIBIDORES
CONCENTRACIÓN
INHIBIDORA (mg/l)
RESULTADO DEL
LABORATORIO
(mg/l)
OBSERVACIÓN
Cobre
Cromo
Níquel
Calcio
Magnesio
100
200
200 – 250
2500 – 4500
1000 – 1500
1,74
0,04
0,15
129
2,70
No inhibe el proceso
No inhibe el proceso
No inhibe el proceso
No inhibe el proceso
No inhibe el proceso
CONTAMINANTE
(determinados en forma
total)
EXCELENTE
(mg/kg)
BUENOS
(mg/kg)
RESULTADO DEL
LABORATORIO
(mg/kg)
Arsénico
Cadmio
Cromo
Cobre
Plomo
Mercurio
Níquel
Zinc
41
39
1200
1500
300
17
420
2800
75
85
3000
4300
840
57
420
7500
0,021
0,024
0,04
1,74
0,68
< 0,001
0,15
10,4

20. CUBIERTA PLÁSTICA

22. AGITADOR MODELO AG1

27. GASÓMETRO DE DOBLE MEMBRANA AISLADO

28. GENERADOR MARCA AQLgenest CON GABINETE
GENERADOR MARCA AQLgenest SIN GABINETE

29. CONCLUSIONES
• Características físicas del lodo; la cantidad de sólidos totales es de
3,7% y la cantidad de sólidos volátiles es de 59%S.T. El volumen
promedio de lodo que se genera en la planta es de 143,6 m3, pero
el diseño se realizó con el valor máximo de volumen igual a 247,73
m3. Los análisis de laboratorio dieron como resultado los siguientes
valores de las características químicas, DBO de la muestra igual a
12864 mg/l y DQO de la muestra igual a15520 mg/l.
• En base a la norma Mexicana NOM-004-SEMARNAT-2002, se
concluye que el lodo de la planta de tratamiento es excelente, el
contenido de contaminantes es mínimo.
• El diseño de mezcla completa del digestor reduce el tiempo de
retención, además que la cámara de digestión no requiere un
volumen demasiado grande, en comparación al tamaño de los
digestores convencionales este se reduce más de la mitad. La
planta cuenta con aproximadamente 16245 m2 para el secado de
los lodos y la construcción de un digestor de gran tamaño no dejaría
lugar para el post – tratamiento del lodo digerido.

30. CONCLUSIONES
• Implementando el tratamiento de biodigestión anaerobia de lodos a
la planta llegaría a producir 87,7 m3 de biogás al día, con un
contenido de 61,4 m3 de metano equivalente al 70% y 26.3 m3 de la
combinación de dióxido de carbono, ácido sulfhídrico y amoniaco
equivalente a un 30%.
• Con la cantidad de biogás que se produce es posible generar hasta
160 kWh al día y 4800 kWh en un mes.
• La energía requerida en promedio de 6 meses es 14374,49 kWh,
utilizando la energía que se produce con el tratamiento de los lodos
que es 4800 kWh al mes es posible reducir hasta el 33,39% del
consumo de energía eléctrica, lo que equivale a 1/3 de la energía
eléctrica total necesaria para el funcionamiento de la planta.
• En promedio el costo semestral del consumo de energía de la
planta de tratamiento es de Bs 500000, el cual reduciría a Bs
333333.33 con la implementación de los biodigestores.

31. RECOMENDACIONES
• Se recomienda la construcción de una pequeña cámara de
muestreo antes del biodigestor, para poder controlar los parámetros
que influyen el proceso de digestión del lodo.
• La cubierta de plástico sufre desgaste con el tiempo, debe ser
inspeccionada regularmente para evitar fugas de gas.
• Un operador debe estar siempre revisando el mezclado del
biodigestor y el funcionamiento de los agitadores.
• Se recomienda la limpieza de las turbinas, además revisarlas
periódicamente y darles el mantenimiento requerido.
• El depósito o tanque de almacenamiento de biogás debe
encontrarse cerca del biodigestor para evitar la instalación de largos
trayectos de tuberías.
• Si el generador eléctrico no está diseñado para funcionar con
biogás es importante el control del contenido de sulfuro de
hidrógeno.
• Se recomienda que se construya un cuarto de máquinas para la
instalación de los generadores de energía.

32. GRACIAS