Caracterización y modelado de un reactor anaerobio de flujo ascendente empacado con lecho de lodos
Resumen
La generación y deficiente disposición de residuos sólidos urbanos es una problemática ambiental y de salud pública. Ante esto es necesario generar tecnologías de valorización energética de los residuos o implementar las ya existentes. En este breve contexto, el objetivo del presente trabajo fue caracterizar una nueva configuración de reactor para el tratamiento anaerobio de residuos de frutas y verduras (RFV). El reactor consiste en un dispositivo tubular que consta de diferentes secciones que son: un lecho de lodos, una sección buffer y una sección de empaque de RFV. En este trabajo, primero se evaluó el desempeño del Reactor Anaerobio de Flujo Ascendente Empacado con Lecho de Lodos (RAFAELL). El reactor presentó 67 % de remoción de sólidos y la productividad de metano fue de 3.6 LCH4∙LR-¹∙d-¹, que es similar a la reportada para sistemas de dos etapas que tratan RFV con velocidades de carga orgánica mayores a 5 g SV∙L-¹∙d-¹. El desempeño óptimo del reactor fue alcanzado operando con una velocidad superficial de 1.4 m·h-¹ y un tiempo de retención hidráulica (TRH) de 10 d; los valores de los parámetros de operación y control fueron: pH de 6.5 – 8, velocidad de carga orgánica de 10 g SV∙L-¹∙d-¹ y temperatura de 35 °C y. A estas condiciones, la productividad de metano que se obtuvo fue de 3.6 LCH4∙LR-¹∙d-¹. Posteriormente se determinó experimentalmente la distribución de tiempos de residencia en el reactor con la finalidad de conocer su patrón de flujo. En todos los casos, el patrón de flujo se encontró en uno intermedio entre flujo pistón y mezcla completa, esta información permite confirmar que existe una separación de etapas en el reactor. Se encontró como fuente principal de retromezcla el flujo de biogás, la concentración de sólidos en el lecho de lodos y la zona de empaque de residuos, sin embargo, este efecto es minimizado al incrementar la velocidad superficial de la fase líquida. El patrón de flujo fue descrito satisfactoriamente a través de un modelo de dispersión axial considerando también la presencia de zonas de estancamiento. Por otro lado, se analizó la cinética de degradación anaerobia de RFV, encontrando efecto significativo del tamaño de partícula y composición del sustrato sobre la producción de metano. La digestión anaerobia de RFV con tamaño de partícula < 500 μm y con una fracción de fácil biodegradación de 0.73 presentó fenómenos de inhibición. La información permitió establecer un modelo matemático en el que las principales variables son el tamaño de partícula y la proporción de la fracción fácilmente biodegradable en el residuo. The generation and deficient disposal of solid urban waste is an environmental and public health problem. Hence, it is necessary to develop energy recovery technologies of this kind of waste or implement existing ones. In this brief context, the objective of this work was to characterize a novel reactor for the anaerobic treatment of fruit and vegetable residues. The performance of the novel up-flow anaerobic sludge bed was first experimentally evaluated. The reactor exhibited 67% of solids removal, and the methane productivity was similar to that reported for two-stage systems treating fruit and vegetable wastes (FVW) with organic load speeds greater than 5 g SV·L-¹·d-¹. Optimal reactor performance was achieved by operating at superficial velocities of 1.4 m·h-1 and a hydraulic residence time (HRT) of 10 d, with pH control and operation parameters of 6.5 – 8, temperature of 35 C and organic load velocity of 10 g SV·L-¹·d-¹. At these conditions, the methane productivity obtained was 3.6 LCH4·LR-¹·d-¹. Subsequently, the residence time distribution (RTD) in the reactor was experimentally determined in order to know its flow pattern. In all cases, the flow pattern was found in an intermediate behavior between plug flow and complete mixing. Thus, this information allows to confirm that there is a separation of sections in the reactor. It was found as the main source of back-mixing the biogas flow and solids concentration in the sludge bed and waste packing area, however, this effect is minimized by increasing the surface velocity of the liquid phase. The flow pattern was satisfactorily described through an axial dispersion mathematical model, also considering the presence of stagnation zones. Moreover, the superficial velocity of the liquid phase decreases the effect of biogas flow. The flow pattern was satisfactorily described through an axial dispersion model also considering the presence of stagnation zones. Finally, the kinetics of anaerobic degradation of FVW were analyzed, finding significant effect of particle size and substrate composition on methane production. Anaerobic digestion of FVW with a particle size < 500 μm and a readily biodegradable fraction of 0.73 showed inhibition phenomena. The information allowed to establish a mathematical model in which the main variables are the particle size and the proportion of the readily biodegradable fraction in the residue.