Saltar al contenido principal

Digestión anaerobia

Beneficios de la digestión anaerobia​

No se eliminan los nutrientes (N, P)

Estimación del biogás estimado​

Estimación teórica de la cantidad ("Estequiometría)

Ecuación de Busswell

CaHbOcNd+(a−b4−c2+3d4)H2O→(a2+b8−c4−3d8)CH4+(a2−b8+c4+3d8)CO2+dNH3C_aH_bO_cN_d + (a-\frac{b}{4}-\frac{c}{2}+\frac{3d}{4})H_2O \rightarrow (\frac{a}{2}+\frac{b}{8}-\frac{c}{4}-\frac{3d}{8})CH_4 + (\frac{a}{2}-\frac{b}{8}+\frac{c}{4}+\frac{3d}{8})CO_2 + dNH_3

¿Qué ventajas tiene el tratamiento de residuos sólidos mediante el proceso de digestión anaerobia?​

Ejercicios​

Pregunta 1​

Un residuo municipal que contiene un 60% de fracción orgánica cuya composición genérica es C55H85O34NC_{55}H_{85}O_{34}N se va a tratar mediante digestión anaerobia. Para ello se requiere añadir purín de cerdo para ajustar la relación C/N a un valor de 20. Determinar cuántos litros de purín se tendrán que añadir por kg de residuo.

Datos del purín:

  • 12 g COT/L
  • 4 g NH4+NH_4^+/L

Desarrollo: fa = 60% C55H85O34NC_{55}H_{85}O_{34}N C/N=20

Fracción orgánica

gFA = gramos formación orgánica

gCgFA=12⋅55(12⋅55)+(85⋅1)+(16⋅34)+14=0.506gCgFA\frac{gC}{ \text{gFA}} = \frac{12 \cdot 55}{(12 \cdot 55) + (85 \cdot 1) + (16 \cdot 34) + 14} = 0.506 \frac{gC}{ \text{gFA}}

gNgFA=14(12⋅55)+(85⋅1)+(16⋅34)+14=0.0107gNgFA\frac{gN}{ \text{gFA}} = \frac{14}{(12 \cdot 55) + (85 \cdot 1) + (16 \cdot 34) + 14} = 0.0107 \frac{gN}{\text{gFA}}

Residuo

gC=0.506⋅0.6⋅1000=303.6 gCgC = 0.506 \cdot 0.6 \cdot 1000 = 303.6 \text{ gC}

gN=0.0154⋅0.6⋅1000=9.24 gNgN = 0.0154 \cdot 0.6 \cdot 1000 = 9.24 \text{ gN}

Balance CN=20\frac{C}{N} = 20

303.6+12x9.24+4x=20\frac{303.6 + 12x}{9.24 + 4x} = 20

303.6+12x=184.8+80x303.6 + 12x = 184.8 + 80x

303.6−184.8=80x−12x303.6 - 184.8 = 80x - 12x

118.8=68x118.8 = 68x

x=1.747 L purıˊnx = 1.747 \text{ L purín}

Por tanto, se necesitan 1.747 L de purín por kg de residuo.

Pregunta 2​

Considerando una composición genérica de C55H85O34NC_{55}H_{85}O_{34}N para la fracción orgánica de un residuo sólido municipal, calcular el volumen máximo de metano (0∘0^{\circ}C, 1 atm) que se podría generar por kg de residuo y el porcentaje esperado de metano en el biogás.

Dato: la fracción orgánica constituye el 60% del peso del residuo.

Desarrollo:

Reacción de digestión anaerobia: C55H85O34N+16H2O→28CH4+27CO2+NH3C_{55}H_{85}O_{34}N + 16H_2O \rightarrow 28CH_4 + 27CO_2 + NH_3

Calculamos el peso molecular de la fracción orgánica: PM = (55⋅12)+(85⋅1)+(34⋅16)+14=1307 g/mol(55 \cdot 12) + (85 \cdot 1) + (34 \cdot 16) + 14 = 1307 \text{ g/mol}

Por cada mol de fracción orgánica se generan 28 moles de CH4CH_4

Para 1 kg de residuo con 60% de fracción orgánica: 0.6 kg⋅1000 g/kg1307 g/mol=0.459 moles de fraccioˊn orgaˊnica\frac{0.6 \text{ kg} \cdot 1000 \text{ g/kg}}{1307 \text{ g/mol}} = 0.459 \text{ moles de fracción orgánica}

Moles de CH4CH_4 generados: 0.459 moles⋅28=12.85 moles CH40.459 \text{ moles} \cdot 28 = 12.85 \text{ moles } CH_4

Volumen de CH4CH_4 (0°C, 1 atm): V=nRTP=12.85 mol⋅0.082 L⋅atm/mol⋅K⋅273.15 K1 atm=287.5 L CH4V = \frac{nRT}{P} = \frac{12.85 \text{ mol} \cdot 0.082 \text{ L}\cdot\text{atm}/\text{mol}\cdot\text{K} \cdot 273.15 \text{ K}}{1 \text{ atm}} = 287.5 \text{ L } CH_4

Porcentaje de CH4CH_4 en el biogás: %CH4=2828+27⋅100=50.9%\%CH_4 = \frac{28}{28 + 27} \cdot 100 = 50.9\%

Por tanto, se generarían 287.5 L de metano por kg de residuo, y el biogás contendría un 50.9% de metano.

Pregunta 3​

Se realizó un ensayo anaerobio discontinuo con 1 g SV de un residuo con el fin de determinar su potencial de biometanización y la constante de hidrólisis, obtenido los siguientes datos:

Tiempo (días)123510152030
Volumen CH4CH_4 (L)0.10.210.260.350.470.490.50.5

Determinar el potencial de biometanización del residuo y su constante de hidrólisis.

Desarrollo​

Para determinar el potencial de biometanización y la constante de hidrólisis, usaremos el modelo cinético de primer orden:

V=Vmax(1−e−kt)V = V_{max}(1-e^{-kt})

Donde:

  • V = volumen de metano producido en el tiempo t
  • VmaxV_{max} = potencial de biometanización
  • k = constante de hidrólisis
  • t = tiempo

De los datos experimentales observamos que: Vmax=0.5 L CH4/g SVV_{max} = 0.5 \text{ L } CH_4/\text{g SV}

Para calcular k, tomamos un punto intermedio (t = 5 días): 0.35=0.5(1−e−5k)0.35 = 0.5(1-e^{-5k})

0.350.5=1−e−5k\frac{0.35}{0.5} = 1-e^{-5k}

0.7=1−e−5k0.7 = 1-e^{-5k}

e−5k=0.3e^{-5k} = 0.3

k=−ln⁡(0.3)5=0.24 dıˊas−1k = \frac{-\ln(0.3)}{5} = 0.24 \text{ días}^{-1}

Por tanto:

  • Potencial de biometanización = 0.5 L CH4CH_4/g SV
  • Constante de hidrólisis = 0.24 dıˊas−1\text{días}^{-1}

Pregunta 4​

Se van a realizar dos ensayos anaerobios discontinuos uno de ellos con 1 g SV de un SV de excrementos vacunos (k_H= 0.05 d^-1 y B_infinito= 0.4 LCH_4/g SV) y el otro con 1 g

Pregunta 5​

Se ha realizado un ensayo de potencial metanogénico de un residuo orgánico cuya composición es C50H80O25NC_{50}H_{80}O_{25}N, obteniéndose 0.4 L CH4CH_4/g SV. Determinar el porcentaje de SV que se han convertido en metano.

Desarrollo:

Aplicando la ecuación de Buswell:

C50H80O25N+24H2O→27CH4+23CO2+NH3C_{50}H_{80}O_{25}N + 24H_2O \rightarrow 27CH_4 + 23CO_2 + NH_3

Peso molecular del residuo: PM=(50⋅12)+(80⋅1)+(25⋅16)+14=1094 g/molPM = (50 \cdot 12) + (80 \cdot 1) + (25 \cdot 16) + 14 = 1094 \text{ g/mol}

Por cada mol de residuo se generan 27 moles de CH4CH_4

Volumen teórico de CH4CH_4 (0°C, 1 atm): Vteo=27 mol CH4⋅0.082 L⋅atm/mol⋅K⋅273.15 K1 atm=604.8 L CH4/mol residuoV_{teo} = \frac{27 \text{ mol } CH_4 \cdot 0.082 \text{ L}\cdot\text{atm}/\text{mol}\cdot\text{K} \cdot 273.15 \text{ K}}{1 \text{ atm}} = 604.8 \text{ L } CH_4/\text{mol residuo}

Vteo=604.8 L1094 g=0.553 L CH4/g residuoV_{teo} = \frac{604.8 \text{ L}}{1094 \text{ g}} = 0.553 \text{ L } CH_4/\text{g residuo}

Porcentaje de conversión: % conversioˊn=0.40.553⋅100=72.3%\% \text{ conversión} = \frac{0.4}{0.553} \cdot 100 = 72.3\%

Por tanto, el 72.3% de los SV se han convertido en metano.