Digestión anaerobia termofílica de lodos residuales secundarios Público Deposited

The effect of alkaline pretreatment of waste-activated sludge, using two models to study the sequential hydrolysis rates of suspended (Sanders’ surface model) and dissolved (Goel’s saturation model) solids, on the mesophilic and thermophilic anaerobic digestion rate is evaluated. The pretreatment, which reduces the size of the solids, increases the reaction rate by increasing the surface area and the specific surface hydrolysis constant (KSBK); at thermophilic conditions from 0.45 × 10-3 kg m-2 d-1 for the fresh sludge to 0.74 × 10-3 kg.m-2 d-1 for the pretreated sludge and at mesophilic conditions these values are 0.28 × 10-3 kg m-2 d-1 and 0.47 × 10-3 kg m-2 d-1 confirming the usefulness of a pretreatment for solids reduction. But for soluble solids, the thermo alkaline pretreatment decreases the reaction rates by inducing a competitive inhibition on the thermophilic anaerobic digestion rate while in the mesophilic range, a non- competitive inhibition is observed. A mathematical simulation of the consecutive reactions, suspended solids to dissolved solids and to methane in staged anaerobic thermophilic–mesophilic digestion, shows that with 4% suspended solids concentration it is better not to use a thermo alkaline pretreatment because overall solids reduction and total methane production are not as good as without pretreatment.

Las sustancias exopoliméricas (SEP) y la membrana celular son los dos principales sustratos que resisten la solubilización durante la digestión anaerobia (DA) mesofílica de lodos residuales secundarios (LRS). Esta resistencia provoca que los tiempos de retención de sólidos en digestores de LRS sean mayores a 15 días, para reducirlos es necesario acelerar la etapa de solubilización/hidrólisis. Es por esto que se deben proponer modificaciones al proceso de estabilización de LR por DA mesofílica. Los cambios deben orientarse principalmente a aumentar la velocidad de desintegración e hidrólisis de los LRS y aumentar la productividad de metano en el proceso. En esta tesis se analizan las variables y procesos que pueden acelerar la digestión anaerobia de lodos residuales secundarios. En el capítulo 2 se evaluó el efecto de la carga orgánica sobre la digestión anaerobia de lodos residuales secundarios en un sistema de dos etapas termofílica- mesofílica y se compara con la digestión anaerobia en una etapa mesofílica y termofílica. La digestión anaerobia de los lodos residuales secundarios se realizó en reactores continuos de tanque agitado. La carga orgánica alimentada varió entre 0.5 y 8.0 kg SSV.m-3.d-1. El reactor termofílico mostró la mejor remoción de sólidos suspendidos volátiles, que fue de 55 % a un TRS de 10 días. Cuando el reactor termofílico presenta alta estabilidad (adecuada remoción de AGV) el sistema termofílico-mesofílico (T2E-M2E) no representa ventajas significativas sobre la operación termofílica de una etapa. En la digestión anaerobia termofílica de LRS existe una relación lineal entre la carga orgánica y la velocidad de producción volumétrica de metano, para cargas de entre 1.0 y 6.0 kg SSV.m-3.d-1. También se encontró que la concentración de amonio no ionizado en los reactores mesofílicos provocó una inhibición en la velocidad de producción de metano. En el capítulo 3 se evaluó el efecto de los pretratamientos en la digestión anaerobia mesofílica y termofílica de lodos residuales secundarios. Los pretratamientos utilizados fueron: mecánico (ultrasonido), térmico, químico (álcali), ultrasonido-alcalino y térmico-alcalino. Las condiciones de éstos fueron: térmico (120 ºC, 15 min), alcalino (0.5 g NaOH/g SSV, 1 h), térmico-alcalino (0.5 g NaOH/g SSV y 15 min a 120 °C), sonicado (20 kHz, 1h), y sonicado-alcalino (0.5 g NaOH/g SSV y sonicación a 20 kHz, 1h). Todos con agitación constante de 300 rpm. Para los pretratamientos se determinó la eficiencia de solubilización de los sólidos suspendidos y la biodegradabilidad de la fracción soluble del lodo pretratado. El pretratamiento que logró la mayor solubilización fue el ultrasonido-alcalino (75 %). Ninguno de los pretratamientos modifica la biodegradabilidad final del lodo; sin embargo, la producción de metano fue diferente. El lodo pretratado por ultrasonido presentó menor producción de metano. También se determinó la energía neta producida durante la estabilización anaerobia de lodos pretratados. Todos los pretratamientos tuvieron una energía neta negativa. El pretratamiento que menos energía neta requirió fue el alcalino y el de mayor requerimiento energético fue el ultrasonido-alcalino. En el capítulo 4 se estudió el efecto del pretratamiento termoalcalino de lodos residuales secundarios en la cinética de hidrólisis anaerobia mesofílica y termofílica de sólidos suspendidos (SS) y disueltos (SD). El pretratamiento termo-alcalino tiene diferente efecto sobre la hidrólisis de sólidos suspendidos y disueltos, por lo que la cinética de la digestión anaerobia de LRS fue estudiada utilizando un modelo de superficie y uno de saturación para encontrar estas diferencias. El pretratamiento termo-alcalino incrementa la degradación anaerobia mesofílica y termofílica de sólidos suspendido y tiene efectos negativos sobre la degradación de los sólidos disueltos produciendo una inhibición no competitiva para la digestión anaerobia mesofílica y una inhibición competitiva para la digestión anaerobia termofílica. Una simulación matemática con reacciones consecutivas de SS a SD y a metano, muestra que con un aumento a 4 % en la concentración de sólidos iniciales en los lodos tratados termo alcalinamente, disminuye la inhibición de la hidrólisis de SD en la digestión anaerobia termofílica.

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