París i Molina, Josep M.

Vicent i Huguet, M. Teresa

Revistes Catalanes amb Accés Obert

SCIENTIA gerundensis, 10: 87-96, (1985) 
LA DIGESTIO ANAEROBIA COM UN PROCES DE 
DESCONTAMINACIO I REVALORITZACIO ENERGETICA 
M. Teresa Vicent i Huguet', Josep M. Paris i ~ o l i n a ~  
' Departament de Química. Col.legi Universitari de Girona (Universitat Autonoma de 
Barcelona). 17071-Girona. 
Departament de Química Ttcnica. Facultat de Ciencies. Universitat Autbnoma de 
Barcelona. Bellaterra. Barcelona. 
RESUM 
Es presenten els avantatges de la digestió anaerbbia com un mttode de depuració i, 
alhora, de producció d'energia adequat per al tractament de gran nombre d'aigues 
residuals. Es comparen els diferents tipus de reactors anaerobis, s'indiquen les seves 
característiques generals i es dóna criteris per tal d'escollir el més adient per al 
tractament d'un determinat residu. 
RESUMEN 
Se presentan las ventajas de la digestión anaerobia como método de depuración y 
producción de energia adecuado para el tratamiento de gran número de aguas 
residuales. Se comparan diferentes tipos de reactores, se indican sus caracteristicas 
generales y se dan criterios para escoger el mis idóneo para el tratamiento de un 
determinado residuo. 
ABSTRACT 
Anaerobic Digestion is pointed out to offer severa1 advantages for energy reclamation 
and wastewater treatment. Different anaerobic processes are compared, their general 
characteristics are presented and criteria are given for the selection and design of a 
suitable anaerobic digester. 
Paraules clau: digestió anaerbbia; contaminació; revalorització energttica; depuració; aigües 
residuals, tecnologia anaerobia. 
Els processos que utilitzen els residus organics contaminants poden ésser 
agrupats en: 
88 M. T. VICENT, J. M. P A R ~ S  
a) processos de conversió 
b) processos de depuració. 
I 
Quant als processos de conversió, les tecnologies bioenergetiques o vies 
biologiques de producció d'energia, i els materials susceptibles de ser 
aprofitats energkticament representen, cada cop més, una excel-lent 
alternativa energbtica als combustibles fossils, no renovables, que són 
majoritariament utilitzats a l'actualitat. 
Aixo és especialment important al camp de les instal.lacions agro- 
industrials, ja que poden cobrir la major part de les seves necessitats 
energetiques a partir dels seus propis residus per tal de complementar o 
reernplaqar als combustibles fossils. 
Els tres metodes més emprats per a convertir la materia organica en 
energia són: els termoquímics, els processos químics per via seca i els que 
transcorren per via aquosa. La majoria poden ser implementats només a 
escala industrial perque requereixen equips especialitzats i, de vegades, 
treballar a altes pressions i temperatures; tanmateix, la digestió anaerobia 
és un procés aquós a baixa temperatura que pot portar-se a terme tant a 
petita escala com a escala industrial. 
Quant als processos de depuració, es poden classificar, en funció de la 
necessitat o no d'aportació d'oxigen al medi, en: 
- tractament aerobi, que consisteix a transformar la carrega contami- 
nant principalment en material solid biologic (llots) i dioxid de carboni, i 
necessita aportació d'oxigen al medi, i 
- tractament anaerobi, en el qual la major part de la carrega organica 
contaminant és transformada en meta i dibxid de carboni, i tan sols una 
petita part en llots biologics. 
A la taula 1 es resumeixen els avantatges i desavantatges de la digestió 
anerobia respecte a 1'aerobia.l 
I 
I-- PP - I 
DIGESTI~ A N A E R ~ B I A  
Taula 1. 
Avantatges 
- baixa producció de llots estables 
- menys necessitat de nodridors 
- tractament de residus carregats 
- tractament de suspensions concentrades 
- menys necessitats energktiques (no aeració) 
- conservació N amoniacal 
- disminució de males olors i important destrucció de patbgens 
- producció de meta 
- possibilitat d'aplicar altes carreges orgkniques 
Desavantatges 
- períodes inicials llargs 
- posada en marxa delicada 
- sensibilitat elevada a compostos toxics (sobretot als metanogens) 
- despesa energetica per a escalfar el digestor 
- poden ser necessaris tractaments complementaris 
- escassa experikncia en digestors d'alta velocitat 
La digestió anaerbbia és un tractament biolbgic pel qual la materia organica 
és descomposta per I'activitat de microorganismes en absencia d'oxigen; 
s'hi produeix un gas amb un alt contingut energetic (biogas) i un llot 
residual que conserva tot el valor fertilitzant del material original (fig. 1). 
El  biogas és una mescla de diferents gasos, entre els quals destaquen el 
meta (60-70 %) i el C02  (40-30 %), i és una font d'energia que pot 
utilitzar-se com el gas natural. Pot cremar-se directament per a escalfar, 
cuinar i obtenir llum per a necessitats dom6stiques o agrícoles. A les 
indústries, Ia principal utilització és el subministrament d'electricitat. Les 
indústries que prodieixen grans quantitats de residus orginics poden 
utilitzar-10s com a materia primera per a substituir en part les fonts 
convencionals d'energia pel seu propi biogis. 
El llot biolbgic obtingut és una mescla de substancies no digerides i 
microorganismes vius o morts. La composició exacta depen del disseny i 
operació del digestor. És un valuós fertilitzant perque els nodridors 
presents en la materia primera no s'han degradat i el nitrogen s'ha fet més 
aprofitable, ja que ha passat de nitrogen proteic a nitrogen amoniacal. 
Així, doncs, la digestió anaerbbia en el tractament de residus permet 
reduir el volum de substancies orginiques contaminants i produir energia. 
El fet que un d'aquests objectius predomini sobre I'altre en cada situació 
especifica, depen de les necessitats de descontaminació del medi i de la 
M. T. VICENT, J. M. PARIS 
fracct6 orginlca fracc16 mlnerill ~norginlcd 
no d~ger~ble dlgerlble 
4----------------- hactcrisproductorrd'~cid 
I I I 
ftbra sollds ac~ds volalils altrcs productes , ,/ bjoldglCs 
, cH4!c o2 
(acetic. prop. etc ) I (CO?. alcohol. etc.) 
------------- bacteris productors de meta 
llots 
anaerobis - solids 
blolog~cs NH,. H2S 
Figura 1 
naturalesa i origen del residu. És evident que s'ha d'intentar fer confluir 
tots dos avantatges. 
La digestió anaerbbia és adequada per a tractar una gran quantitat de 
substrats com ara: 
a) Residus agrícoles 
- Residus animals: excrements i fems. 
- Residus de  collites: residus de plantes abandonades després de la 
collita, incloent-hi palla i branques. 
b) Collites energittiques: creixement específic per la seva digestió 
anaerdbia o creixement natural. 
- Plantacions energittiques: cultius d'alt contingut energktic. 
- cccollites intercalades,,: creixement en el període entre collites 
tradicionals (després de l'estiu i de la tardor quan la terra estaria 
sense sembrar). 
- Vegetació natural: collites que no són econbmiques pels baixos 
rendiments que s'obtenen. 
c) Residus industrials. 
- Efluents d'indústries agro-alimentaries. 
- Residus d'altres indústries. 
d) Aigües residuals urbanes. 
e) Escombraries: tractament d'escombraries domitstiques amb un alt 
contingut organic i dels seus lixiviats. 
Els microorganismes encarregats de realitzar la digestió anerbbia no són 
d'un sol sinó que són un conjunt de poblacions bacterianes que 
actuen a diferent nivell trbfic. Les tres etapes principals del procés es 
mostren a la figura 2. A l'etapa hidrolitica-acidbgena o fermentativa els 
I - BACTERIS HIDROL~TICS-ACIDOGENS 
2 - BACTERIS HOMOACETOGENS 
3 -BACTERIS ACETOGENS 
4 -BACTERIS METANOGENS H I D R O G E N ~ F I L S  
5 - BACTERIS METANOGENS ACETOCLASTICS 
Figura 2 
compostos organics complexos es descomponen en compostos solubles i, 
posteriorment, en Acids organics i compostos neutres per l'acció dels 
bacteris hidrolitics i acidbgens. A la segona etapa o acetogenesi, es realitza 
la seva transformació a acetat i una mescla H2 i C02. El pas a acetat el 
realitzen els bacteris homoacetogens directament a partir de la mescla 
H2/C02. D'altra banda, els bacteris acetogens el produeixen a partir de 
diferents acids i compostos neutres. Finalment, a la darrera etapa, 
anomenada metanbgena, s'obté CH4, C02 i H20 a partir d'acetat per 
l'acció dels bacteris metanogens acetoclastes o a partir de la mescla H2/C02 
per I'acció dels bacteris metanbgens hidrogenofils. 
D~gestor contacte anaerohi I 
Figura 3 1 
REACTORS D E  TIPUS CONVENCIONAL O D E  PRIMERA I 
GENERACIO 
I 
La recerca per a l'aplicació comercial de la digestió anaerobia pot 
considerar-se que comensa el 1814, quan Davy, en un estudi del valor 
fertilitzant del fem de vaca, recull biogas en un diposit al buit.3 La primera 
utilització de la digestió anaerbbia com un sistema de producció de 
combustible és atribui'da a D .  Cameron, que utilitza el gas d'un dipbsit 
<<acuradament dissenyat,, per a ilaluminar els carrers d'Exeter (Anglaterra, 
1895). Posteriorment, la digestió anaerobia es va aplicar principalment al 
tractament de residus urbans, pero el principal objectiu no era l'obtenció 
d'un gas combustible, sinó l'estabilització dels llots. Freqüentment, el meta 
produi't no era utilitzat i era, simplement, cremat. La digestió anaerdbia 
també va ser utilitzada per a produir energia a partir de residus agrícoles 
durant i immediatament després de la Segona Guerra Mundial, a Franqa, 
Algkria i Alemanya. Durant el període posterior a la Segona Guerra 
Mundial, l'interks en aquest procés disminueix perquk no pot competir amb 
l'energia fossil, que resulta més barata. 
Tanmateix, la crisi energktica del 1973 eleva els preus d'aquesta font 
convencional d'energia i fa renéixer l'interks per la digestió anaerobia com 
un mktode, no tan sols de descontaminació, sinó de producció d'energia. 
El primer reactor desenvolupat, també anomenat reactor convencio- 
nal (fig. 3), consisteix essencialment en un reactor de tanc agitat sense 
recirculació de solids. A causa de la baixa velocitat especifica de creixement 
dels bacteris metanbgens, la digestió efectiva dels residus en un reactor 
convencional només pot obtenir-se a elevats temps de retenció. En  la 
practica, es consideren imprescindibles temps de retenció hidraulics de vint 
dies o més per a aconseguir una estabilització eficient dels residus, la qual 
cosa comporta que els digestors convencionals siguin molt grans, i que 
augmenti molt el cost de les instal-lacions. 
El concepte de recirculació biologica de solids porta a la introducció del 
procés de contacte-anaerobi (fig. 3), que permet temps de residencia dels 
microorganismes en el digestor més elevats, una estabilització del residu 
més eficient i, significativament, majors volums de gas produ'it. El volum 
de digestor necessari és més petit i el procés és economicament més 
rendible. El desenvolupament del reactor de contacte anaerobi ha permes 
aplicar aquest tractament a gran varietat d'aigües residuals amb diferents 
continguts en solids i carrega organica. L'eficient operació d'aquest procés 
depen molt de la del decantador, la qual cosa pot augmentar el cost global. 
Sovint, són necessaries altes velocitats de recirculació de solids perque el 
tractament resulti e f i ~ a ~ . ~  
REACTORS D'ALTA VELOCITAT O D E  SEGONA GENERACIO 
Una legislació més restrictiva respecte del control de la pol.lució del medi 
ambient, junt a una elevació del cost energetic dels sistemes aerobis, han 
estimulat en els últims anys .17interks per la digestió anaerbbia com una 
tecnologia útil per a la descontaminació i producció simultania d'energia. 
Aquest interks ha condu'it al desenvolupament i disseny d'un altre tipus de 
digestors, adequats per al tractament d'aigües residuals d'alta i baixa 
carrega organica. Aquests  reactor^,^ anomenats de segona generació 
(fig. 4), tenen en comú la retenció de la biomassa microbiana dintre del 
reactor per diversos metodes, i eliminen els problemes d'operació associats 
al sistema de recirculació de solids del procés de contacte anaerobi. En 
contrast amb els dissenys anteriors, el bon funcionament d'aquest tipus de 
digestors esta lligat a la facilitat dels bacteris, especialment els metanbgens, 
per a enganxar-se a les superfícies solides. A I'UASB, o llit de llots, la flora 
microbiana s'enganxa entre si o a petites partícules de materia en suspensió 
per a formar aglomerats o granuls.6 Els granuls són retinguts al reactor 
durant períodes molt llargs de temps per un eficient sistema de separació 
gas-sblid-líquid. 
La retenció i manteniment del creixement biologic sobre un material 
inert que s'ha introdu'it al digestor és la base tebrica del funcionament del 
filtre anaerobi, del reactor de llit en pe1.licula i del reactor de llit fluiditzat. 
En  el filtre anaerobi o reactor de llit fixe, els bacteris s'enganxen al suport i 
són retinguts com a granuls o floculs en els espais buits. Al segon cas, la 
M. T. VICENT, J. M. PARÍS 
G, r 
UASB LILI nuldttzal 1 
Figura 4 
biomassa activa forma una pel.lícula sobre un suport inert ordenat, mentre 
que en el cas del llit fluiditzat, la pel-lícula bacteriana es forma sobre 
petites particules de material inert, normalment sorra, que són flu'iditzades 
per recirculació de l'efluent del d i g e ~ t o r . ~ , ~  
L'efichcia d'aquests quatre tipus de digestors depkn molt de la quantitat 
de biomassa que és retinguda al digestor. A I'UASB, la retenció de la 
biomassa és faci1 pel seu sistema de separació de gas-solid-líquid i la 
quantitat de biomassa retinguda per unitat de volum de reactor és, 
generalment, major que la retinguda pels reactors de llit fix i llit flui'ditzat. 
La retenció, no obstant, esta limitada per la velocitat de decantació de les 
particules i pel contingut de l'influent en matkria en suspensió. La quantitat 
de biomassa retinguda en el reactor de llit fix depkn de la relació 
area/volum i esta limitada per l'area de la matriu suport. El reactor de llit 
fix té l'avantatge que la biomassa esta fixada a suports fixos i no pot ser 
arrossegada a l'exterior per una sobrecarreaa hidraulica, com podria 
ocórrer als reactors amb biomassa en suspensió. El filtre anaerobi pot 
mantenir una quantitat de biomassa al reactor més elevada que el de 
pel-lícula fixada perquk els bacteris no tan sols es troben enganxats a la 
superfície, sinó que també estan en els espais intersticials de la matriu 
suport. Així, doncs, una sobrecarrega hidrsulica no es considera un 
problema pel filtre, ja que no impedeix la retenció de la biomassa a 
l'interior del reactor. D'altra banda, el funcionament ascensional de 
17UASB, filtre i llit flu'iditzat pot presentar problemes de tapament en el 
tractament de residus amb alt contingut en matkria en suspensió. 
Encara que és evident que aquests digestors difereixen respecte del 
disseny i parametres operacionals, el fet que tots ells retinguin la biomassa 
activa permet la reducció del temps de retenció hidraulic des de deu a vint 
dies, característic dels digestors convencionals, a períodes de l'ordre de 
pocs dies o, Adhuc, d'hores. Aquesta reducció del temps de retenció té com 
a conseqü&ncia velocitats de producció de meta per volum de digestor de 
dues a deu vegades més altes que les obtingudes pels reactors de la primera 
generació. La reducció del temps de retenció hidraulic també implica la 
reducció del cost inicial donat que la mida del reactor necessari és menor. 
A la taula 2 es presenta un resum d'algunes característiques d'aquests 
sistemes de reactors anaerobis. 
Els reactors convencionals i de contacte són adequats per a tractar 
residus concentrats amb un alt contingut en solids, i els digestors de 
biomassa fixada i UASB per a tractar residus solubles, tant si són molt com 
poc carregats. 
Taula 2. Comparació de digestors anaerobis. 
sense amb recir- 
recir- culació llit 
culació de sblids UASB Filtre fluiditzat 
Facilitat de posada 
en marxa 
Facilitat d'operació 
Controlabilitat 
Resistbncia a canvis 
en: 
- Temperatura 
- Toxics 
- Carrega organica 
- Solids en suspen- 
sió a I'aliment 
Capacitat per a pro- 
cessar llots 
dolenta excel.lent 
acceptable acceptable 
dolenta excel.lent 
dolenta bona 
dolenta bona 
dolenta molt bona 
molt bona bona 
excel.lent molt bona 
acceptable 
bona 
bona 
excel.lent 
molt bona 
excel.lent 
acceptable 
dolenta 
molt bona 
excel.lent 
bona 
excel.lent 
excel.lent 
excel.lent 
dolenta 
dolenta 
bona 
bona 
bona 
excel.lent 
excel.lent 
excel.lent 
acceptable 
dolenta 
Per a escollir amb tota seguretat el sktema més adequat, convé sempre 
realitzar prkviament estudis de laboratori que permetin identificar comple- 
tament el residu a tractar, així com obtenir informació sobre la seva 
digestibilitat. 
96 M. T. VICENT. J. M. PARIS 
Amb caracter indicatiu, útil només quan no es poden realitzar estudis 
de laboratori, es pot utilitzar la figura 59 a fi d'escollir el sistema de digestió 
en base a les característiques físiques (kg solids totals. m-3) o químiques 
(kg .~QO.m-3,  de l'efluent a tractar o en base a la carrega volúmica 
(kg DQO o solids totals. m-3 .dia-') que es pretén aplicar. 
MONOETAPA 
I 
LLIT 
FLUlDlTZAT I 
~ \ \ \ \ \ \ \ \ ]  I 
FILTRE 
I I I 
- i  I I I 
I  I  
Figura 5 
- B ~  kg . DO0 
I  [ \ \ \ \ \ \ \ \ I  I 
I  I 
I. ........................... ! ........... 1 I 
I I I I I I I I I I I I ]  I I 
1 
I .................................... 
Bibliografia 
kg . ST 
m -  n1' 
UASB 
1. MC CARTY, P.L. (1964). Public works. 95: 107. 
2. ZEIKUS, J.G. (1980). Anaerobic Digestion Cap. 4, ed. Stafford, D.A. Science 
Publishers Ltd. London. 
3. VAN VELSEN, A.F.M. (1980). Anaerobic Digestion of Piggery Waste. Published 
by Department of Water Pollution Control. Agricultura1 University. The 
Netherlands. 
4. VAN DEN BERG, L. et al. (1980). Proc. 35 rd. Ind. Waste Conf. Purdue Univ. 
5. COLLERAN, E. et al. (1982). Process Biochem. 12. 
6. LETTINGA, G. et al. (1980). Anaerobic Digestion ed. Stafford, D.A. Science 
Publishers Ltd. London. p. 167. 
7. VAN DEN BERG, L. et al. (1981). Biotechnol. Lett. 3: 165. 
8. BINOT, R.S. et al. (1981). Proc. 2nd. Int. Symp. on Anaer. Dig. Travemiinde. 
9. ROZZI, A. (1981). Proc. Int. Seminar on Anaer. Wastewater treat. and Energy 
Recovery. Pittsburgh. 
I I I 
1 , 1 , 1 1 , 1 1 1 1  I I 
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .  I
I 
I  I 
10.' I 10 100 


La digestió Anaeròbia com un procés de descontaminació i revalorització energètica

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Revistes Catalanes amb Accés Obert