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−4b−2c+43d)H2O→(2a+8b−4c−83d)CH4+(2a−8b+4c+83d)CO2+dNH3
Ejercicios
Pregunta 1
Un residuo municipal que contiene un 60% de fracción orgánica cuya composición genérica es C55H85O34N 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+/L
Desarrollo:
fa = 60%
C55H85O34N
C/N=20
Fracción orgánica
gFA = gramos formación orgánica
gFAgC=(12⋅55)+(85⋅1)+(16⋅34)+1412⋅55=0.506gFAgC
gFAgN=(12⋅55)+(85⋅1)+(16⋅34)+1414=0.0107gFAgN
Residuo
gC=0.506⋅0.6⋅1000=303.6 gC
gN=0.0154⋅0.6⋅1000=9.24 gN
Balance NC=20
9.24+4x303.6+12x=20
303.6+12x=184.8+80x
303.6−184.8=80x−12x
118.8=68x
x=1.747 L purıˊn
Por tanto, se necesitan 1.747 L de purín por kg de residuo.
Pregunta 2
Considerando una composición genérica de C55H85O34N para la fracción orgánica de un residuo sólido municipal, calcular el volumen máximo de metano (0∘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+NH3
Calculamos el peso molecular de la fracción orgánica:
PM = (55⋅12)+(85⋅1)+(34⋅16)+14=1307 g/mol
Por cada mol de fracción orgánica se generan 28 moles de CH4
Para 1 kg de residuo con 60% de fracción orgánica:
1307 g/mol0.6 kg⋅1000 g/kg=0.459 moles de fraccioˊn orgaˊnica
Moles de CH4 generados:
0.459 moles⋅28=12.85 moles CH4
Volumen de CH4 (0°C, 1 atm):
V=PnRT=1 atm12.85 mol⋅0.082 L⋅atm/mol⋅K⋅273.15 K=287.5 L CH4
Porcentaje de CH4 en el biogás:
%CH4=28+2728⋅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) | 1 | 2 | 3 | 5 | 10 | 15 | 20 | 30 |
---|
Volumen CH4 (L) | 0.1 | 0.21 | 0.26 | 0.35 | 0.47 | 0.49 | 0.5 | 0.5 |
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)
Donde:
- V = volumen de metano producido en el tiempo t
- Vmax = potencial de biometanización
- k = constante de hidrólisis
- t = tiempo
De los datos experimentales observamos que:
Vmax=0.5 L CH4/g SV
Para calcular k, tomamos un punto intermedio (t = 5 días):
0.35=0.5(1−e−5k)
0.50.35=1−e−5k
0.7=1−e−5k
e−5k=0.3
k=5−ln(0.3)=0.24 dıˊas−1
Por tanto:
- Potencial de biometanización = 0.5 L CH4/g SV
- Constante de hidrólisis = 0.24 dıˊas−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 C50H80O25N, obteniéndose 0.4 L CH4/g SV. Determinar el porcentaje de SV que se han convertido en metano.
Desarrollo:
Aplicando la ecuación de Buswell:
C50H80O25N+24H2O→27CH4+23CO2+NH3
Peso molecular del residuo:
PM=(50⋅12)+(80⋅1)+(25⋅16)+14=1094 g/mol
Por cada mol de residuo se generan 27 moles de CH4
Volumen teórico de CH4 (0°C, 1 atm):
Vteo=1 atm27 mol CH4⋅0.082 L⋅atm/mol⋅K⋅273.15 K=604.8 L CH4/mol residuo
Vteo=1094 g604.8 L=0.553 L CH4/g residuo
Porcentaje de conversión:
% conversioˊn=0.5530.4⋅100=72.3%
Por tanto, el 72.3% de los SV se han convertido en metano.