Inés Adriana Juárez-García1 ,
Raúl Snell-Castro2 ,
Juan Manuel Méndez-Contreras1 ,
Norma Alejandra Vallejo-Cantú1 ,
Alejandro Alvarado-Lassman1 ,
Erik Samuel Rosas-Mendoza3
1 Instituto Tecnológico de Orizaba
2 Universidad de Guadalajara
3 Conacyt - Instituto Tecnológico de Orizaba
Abstract
La inadecuada gestión de los Residuos Sólidos Urbanos (RSU) y la crisis energética por la dependencia de los combustibles fósiles (carbón e hidrocarburos) son problemas crecientes en países latinoamericanos como México. Estos problemas son causados por diversos factores, entre ellos la falta de infraestructura y el limitado desarrollo de tecnologías enfocadas a atender estas áreas. En México se generan anualmente entre 37.55 y 43.84 millones de toneladas de RSU, mientras que se producen 5,896 PJ de combustibles fósiles en el mismo periodo, contribuyendo fuertemente a la contaminación ambiental debido a un inadecuado manejo y procesos de obtención-uso respectivamente. Para mitigar estos problemas, es necesario proponer estrategias de doble propósito, como la digestión anaerobia, que puedan ayudar en el tratamiento de la fracción orgánica de los RSU (FORS) y al mismo tiempo producir biogás como fuente de energía renovable. Por estos motivos, el objetivo de este trabajo fue evaluar el rendimiento de un reactor anaerobio de biopelícula mediante incrementos en la Tasa de Carga Orgánica (TCO) utilizando la fracción líquida de los RSUF como sustrato para la producción de biogás. Para llevar a cabo este estudio se utilizó un reactor anaerobio de biopelícula denominado Reactor Híbrido Anaerobio (AHR). Se analizó el rendimiento del AHR en cuatro etapas aplicando diferentes valores de OLR de 5 a 21 g COD/L.d. Se evaluó la formación de biopelícula anaerobia, pH, %COD y % de eliminación de sólidos, alcalinidad, producción de biogás y rendimiento de metano. Tras 119 días de funcionamiento del reactor, se obtuvo un 93,45 % de colonización del lecho fluidizado inverso, un 85 % de DQO total y soluble y eliminaciones superiores al 80 % para TS y VS, alcalinidad inferior a 0,3, alrededor de 20 L de biogás al día con rendimientos de metano de 0,31 LCH4a STP/gCODrem. El uso de OLR elevados permite tratar un mayor volumen de fracción líquida de OFMSW produciendo una mayor cantidad de biogás con un excelente rendimiento de metano, demostrando así la alta eficiencia del AHR.
Keywords
reactor anaerobio de biopelícula,digestión anaerobia,taza de carga orgánica,fracción orgánica de residuos sólidos urbanos,energía renovable
How to Cite
Juárez-García, I. A., Snell-Castro, R., Méndez-Contreras, J. M., Vallejo-Cantú, N. A., Alvarado-Lassman, A., & Rosas-Mendoza, E. S. (2022). Rendimiento de un reactor anaerobio de biopelícula mediante la aplicación de diferentes condiciones operativas. Renewable Energy, Biomass & Sustainability, 4(1), 14–22. https://doi.org/10.56845/rebs.v4i1.71
📄Akunna, J. C. (2019). Anaerobic Wastewater Treatment and Biogas Plants. Taylor & Francis Group. First edition.
📄Alvarado-Lassman, A., Méndez-Contreras, J. M., Martínez-Sibaja, A., Rosas-Mendoza, E. S., & Vallejo-Cantú, N. A. (2016). Biogas production from the mechanically pretreated, liquid fraction of sorted organic municipal solid wastes. Environmental Technology 3330.
📄Apanco-Rosas, V. (2018). Comparación del desempeño de un reactor anaerobio piloto en configuración en paralelo, con 2 diferentes sustratos. Tesis de Maestría. Instituto Tecnológico de Orizaba. México.
📄APHA. (2005). Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 21st Edition, American Public Health Association/American Water Works Association/Water Environment Federation, Washington DC.
📄Ariunbaatar, J., Panico, A., Esposito, G., Pirozzi, F. & Lens, P. (2014). Pretreatment methods to enhance anaerobic digestion of organic solid waste. APPLIED ENERGY 123: 143–56.
📄Arreola-Vargas, J., Snell-Castro, R., Rojo-Liera, N. M., González-Álvarez, V. & Méndez-Acosta, H. O. (2018). Effect of the organic loading rate on the performance and microbial populations during the anaerobic treatment of tequila vinasses in a pilot-scale packed bed reactor. J Chem Technol Biotechnol 93(2):591–99.
📄Bernard, O., Polit, M., Hadj-Sadok, Z., Pengov, M., Dochain, D., Estaben, M. & Labat, P. (2000). Advanced monitoring and control of anaerobic wastewater treatment plants: III-Software sensors and controllers for an anaerobic digester. In: 5th International Symposium in System Analysis and Computing in Water Quality Management, 3.65–3.72. Gent, Belgium.
📄Beyenal, H. & Lewandowski, Z. (2000). Combined effect of substrate concentration and flow velocity on effective diffusivity in biofilms. Water research. 34(2): 528-538.
📄Botello-Suárez, W. A., Da Silva-Vantini, J., Duda, R- M., Giachetto, P. F., Carrijo-Cintra, L., Tiraboschi Ferro, M. I. & Alves-De Oliveira, R. (2018). Predominance of syntrophic bacteria, Methanosaeta and Methanoculleus in a two-stage up-flow anaerobic sludge blanket reactor treating coffee processing wastewater at high organic loading rate. Bioresour Technol 268, 158–68.
📄Buffière, P., Bergeon, J. P. & Moletta, R. (2000). The inverse turbulent bed: a novel bioreactor for anaerobic treatment. Water Research, 34(2), 673-677.
📄Cecconet, D., Callegari, A. & Capodaglio, A.G. (2022). UASB Performance and Perspectives in Urban Wastewater Treatment at Sub-Mesophilic Operating Temperature. Water, 14(1), 115.
📄Cristaldi, A., Fiore, M., Zuccarello, P., Oliveri Conti, G., Grasso, A., Nicolosi, I., Copat, C. & Ferrante, M. (2020). Efficiency of Wastewater Treatment Plants (WWTPs) for Microplastic Removal: A Systematic Review. Int J Environ Res Public Health, 17(21), 8014.
📄Díaz-Trujillo, L. A. & Nápoles-Rivera, F. (2019). Optimization of biogas supply chain in Mexico considering economic and environmental aspects. Renewable Energy, 139, 1227–1240.
📄Doloman, A., Soboh, Y., Walters, A. J., Sims, R. C. & Miller, C. D. (2017). “Qualitative Analysis of Microbial Dynamics during Anaerobic Digestion of Microalgal Biomass in a UASB Reactor”. Int J Microbiol 2017(5291283):12.
📄Foresti, E. (1994). Fundamentos de proceso de digestión anaerobia. III Taller y Seminario Latinoamericano sobre Tratamiento anaerobio de aguas residuales, Montevideo, Uruguay, 97-110.
📄Garbs, M. & Geldermann, J. (2018). Analysis of selected economic and environmental impacts of long-distance manure transports to biogas plants. Biomass and Bioenergy, 109(December 2017), 71–84. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2017.12.009
📄Gutiérrez, J. P. (2018). Situación actual y escenarios para el desarrollo del biogás en México hacia 2024 y 2030. Red Tematica De Bioenergia De Conacyt, 22.
📄Houbron, E. (2012). Methane yield and microscopic observation as monitoring biofilm behaviour parameters, during start up phase of anaerobic inverse fluidized bed reactor. Afr J Biotechnol 11(78), 14392–98.
📄Hussain A., Johain J. & Fawziea M. (2021). Effect of pH on biogas production during anaerobic digestion. Journal of University of Shanghai for Science and Technology, 23(8), 224-231.
📄Jáuregui-Jáuregui, J. A., Méndez-Acosta, H. O., González-Álvarez, V., Snell-Castro, R., Alcaraz-González, V. & Godon, J. J. (2014). Anaerobic treatment of tequila vinasses under seasonal operating conditions: Start-up, normal operation and restart-up after a long stop and starvation period. Bioresource Technology, 168, 33–40.
📄Karadag, D., Köroğlu, O., Ozkaya, B. & Cakmakci, M. (2015). A review on anaerobic biofilm reactors for the treatment of dairy industry wastewater, Process Biochemistry, 50(2), 262-271.
📄Lebuhn, M., Weib, S., Munk, B. & Guebitz, G. M. (2015). Microbiology and Molecular Biology Tools for Biogas Process Analysis, Diagnosis and Control. Biogas Sci Technol 1–200.
📄Lettinga, G., Roersma, R. & Grin, P. (1983). Anaerobic treatment of raw domestic sewage at ambient temperatures using a granular bed UASB reactor. Biotechnol and Bioeng, 25(7), 1701–1723.
📄Liu, S., Cao, L., Xu, F., Yang, L., Li, Y. & Inalegwu, O. (2021). Chapter Five - Integration of algae cultivation to anaerobic digestion for biofuel and bioenergy production, Advances in Bioenergy, Elsevier, 6(1), 199-300,
📄Lohani, S. P. & Havukainen, J. (2018). Anaerobic Digestion: Factors Affecting Anaerobic Digestion Process. Waste Bioremediation, Energy, Environment, and Sustainability.
📄Lorenzo-Acosta, Y. & Obaya-Abreu, M. C. (2005). La digestión anaerobia. Aspectos teóricos. Parte I. ICIDCA. Sobre los Derivados de la Caña de Azúcar, 39(1, 2005), 35-48.
📄Mlaik, N., Khcharem, M., Kouas, M., Sayadi, S. & Khoufi, S. (2017). Improvement of anaerobic biodegradability of organic fraction of municipal solid waste by mechanical and thermochemical pretreatments. Inter J Environ Sci Technol.
📄Nava-Pacheco, D., Juárez-García, I.A., Landeta-Escamilla, O., Del Moral, S. & Rosas-Mendoza, E.S. (2020). Bioenergy potential from agroindustrial wastes of the state of Veracruz. Renewable Energy, Biomass & Sustainability (REB&S), 2(2), 1-6.
📄Okabe, S., Kuroda, H. & Watanabe, Y. (1998). Significance of biofilm structure on transport of inert particulates into biofilms. Water Science and Technology. 38(8,9): 163-170.
📄Ostrem M.K., Millrath K., & Themelis N.J. (2004). Combining anaerobic digestion and waste to energy. In: 12th North America waste to energy conference. Columbia University, New York.
📄Patel, B.B., Gundaliya, P., Patel, U. & Umeshkumar Khare, U. (2021). Hydrodynamics of hybrid upflow anaerobic sludge blanket reactors using tracer studies. Environmental Challenges, 5.
📄Rosas-Mendoza, E. S., Méndez-Contreras, J. M., Martínez-Sibaja, A., Vallejo-Cantú, N. A. & Alvarado-Lassman, A. (2018). Anaerobic digestion of citrus industry effluents using an Anaerobic Hybrid Reactor. Clean Technol Environ Policy 20(7), 1387–97.
📄Trinet, F., Heim, R., Amar, D. & Chang, H. (1991). Study of biofilm and fluidization of bioparticles in a three-phase liquid fluidized-bed reactor. Water Science and Technology. 23, 1347-1354.
📄Utino, B.M.Y., Alves, I., Del Nery, V., Kimiko, S.I., Pozzi, E. & Rissato, M.H. (2022). Methane production in a UASB reactor from sugarcane vinasse: shutdown or exchanging substrate for molasses during the off-season? Journal of Water Process Engineering, 47.
📄Vega-De Kuyper, J. C. & Ramírez-Morales, S. (2014). Fuentes de energía, renovables y no renovables. Aplicaciones. México: Alfaomega.
📄Weber, B., Rojas Oropeza, M., Torres Bernal, M. & Pampillón González, L. (2012). Producción de biogás en México estado actual y perspectivas. Cuaderno Temático No. 5 Red Mexicana de Bioenergía, 48.
📄Wid, N. & Horan, N. J. 2018. Anaerobic digestion of screenings for biogas recovery. Springer Singapore.
,
Juan Manuel Méndez-Contreras1