10.4 Tratamientos anaeróbicos

La digestión anaeróbica (DA) se ha utilizado durante mucho tiempo para la estabilización y reducción del proceso de masa de lodos, principalmente debido a la simplicidad de operación, los costos relativamente bajos y la producción de biogás como fuente de energía potencial. La representación estequiométrica general de la digestión anaeróbica puede describirse de la siguiente manera:

$cnhaOB+ (n-a/4-b/2)\ cpunto H_2O\ rarr (n/2-a/8+b/4)\ cpunto CO_2+ (n/2+a/8-b/4)\ cdot CH4$ (10.4)

Ecuación 10.4 Balance general de masa de biogás (Marchaim 1992).

Y la concentración teórica de metano se puede calcular de la siguiente manera:

$ [CH_4] =0.5+ (a/4+b/2) /2n$ (10,5)

Ecuación 10.5 Concentración teórica esperada de metano en el biogás (Marchaim 1992).

Los productos finales de AD son principalmente materiales inorgánicos (por ejemplo, minerales), compuestos orgánicos ligeramente degradados y biogás que normalmente se compone de\ > 55% de metano (CHSub4/sub) y dióxido de carbono (COSub2/sub), con sólo niveles pequeños (\ 1%) de sulfuro de hidrógeno (H<sub2/subs) y nitrógeno amoníaco total (NHSub3/ SubSUP+/SUP/NH4SUP+/SUP) (Appels et al. 2008).

Fig. 10.4 Diagrama esquemático que muestra la degradación anaeróbica de la materia orgánica basada en García et al. (2000)

Durante el proceso de AD, el lodo orgánico sufre cambios considerables en sus propiedades físicas, químicas y biológicas y puede dividirse esquemáticamente en cuatro etapas (Fig. 10.4). La primera etapa es la hidrólisis, donde la materia orgánica compleja como lípidos, polisacáridos, proteínas y ácidos nucleicos se degradan en sustancias orgánicas solubles (azúcares, aminoácidos y ácidos grasos). Este paso se considera generalmente limitante de tasas (Deublein y Steinhauser 2010). En el segundo paso de acidogénesis, los monómeros formados en el primer paso se dividen más, y los ácidos grasos volátiles (VFA) son producidos por bacterias acidogénicas (fermentativas) junto con amoníaco, COSub2/sub, HSub2/subs y otros subproductos. El tercer paso es la acetogénesis, donde el VFA y los alcoholes son aún más digeridos por los acetógenos para producir principalmente ácido acético, así como COSub2/sub y HSub2/sub. Esta conversión se controla en gran medida por la presión parcial de HSub2/sub en la mezcla. El último paso es la metanogénesis, donde el metano es producido principalmente por dos grupos de bacterias metanogénicas: las arcas acetotróficas, que dividen el acetato en metano y COSub2/sub, y las arqueas hidrogenotróficas, que utilizan hidrógeno como donante de electrones y dióxido de carbono como aceptor de electrones para producir metano (Appels y otros, 2008).

Diversos factores como el pH del lodo, la salinidad, la composición mineral, la temperatura, la tasa de carga, el tiempo de retención hidráulica (HRT), la relación carbono-nitrógeno (C/N) y el contenido de ácidos grasos volátiles influyen en la digestibilidad del lodo y la producción de biogás (Khalid et al. 2011).

Fig. 10.5 Esquema de un reactor de manta de lodos anaeróbicos de flujo ascendente (UASB)

El tratamiento de lodos anaeróbicos de la RAS comenzó hace unos 30 años con informes sobre lodos de agua dulce (Lanari y Franci 1998) seguidos de informes sobre operaciones marinas (Arbiv y van Rijn 1995; Klas et al. 2006; McDermott et al. 2001) y aguas salobres (Gebauer y Eikebrokk 2006; Mirzoyan et al. 2008). Recientemente, se sugirió el uso de UASB (Fig. 10.5) para AD de lodos RAS seguido de la producción de biogás como fuente alternativa de energía (Mirzoyan et al. 2010). El reactor está hecho de un tanque, parte del cual se llena con una manta de lodos granulares anaeróbicos que contiene las especies de microorganismos activos. El lodo fluye hacia arriba a través de una «manta microbiana» donde es degradado por los microorganismos anaeróbicos y se produce biogás. Un colono de cono invertido en la parte superior del digestor permite la separación de gases y líquidos. Cuando el biogás se libera del floc, se orienta hacia el cono por los deflectores que se van a recoger. Una mezcla lenta en el reactor resulta del flujo ascendente junto con el movimiento natural de los flojos microbianos que se unen a las burbujas de biogás. En algún momento, el floc deja la burbuja de gas y se instala de nuevo permitiendo que el efluente esté libre de TSS, que luego puede ser reciclado de nuevo al sistema o liberado. Las principales ventajas de la UASB son los bajos costos operativos y la simplicidad de operación, al tiempo que proporciona una alta eficiencia solidremoval (\ > 92%) para residuos con bajo contenido de SST (1 — 3%) (Marchaim 1992; Yogev et al. 2017).

Dos estudios de caso recientes demostraron el uso de UASB como tratamiento de sólidos en RAS marinas y salinas a escala piloto, que proporcionan un ejemplo de las ventajas potenciales de esta unidad en acuapónica (Tal et al. 2009; Yogev et al. 2017). Un análisis detallado del balance de carbono sugiere que alrededor del 50% del carbono introducido (del alimento) se eliminó por asimilación y respiración de los peces, el 10% se eliminó por biodegradación aeróbica en el biorreactor de nitrificación y el 10% se eliminó en el reactor de desnitrificación (Yogev et al. 2017). Por lo tanto, en general se introdujo alrededor del 25% de carbono en el reactor UASB, de los cuales el 12,5% se convirtió en metano, el 7,5% en COSub2/sub y el resto (\ ~ 5%) se mantuvo como carbono no degradable en el UASB. En resumen, se demostró que el uso de UASB permitió una mejor recirculación del agua (\ > 99%), menor producción de lodos (\ 8%) en comparación con RAS típicas que no tienen tratamiento sólido in situ, y recuperación de energía que puede representar el 12% de la demanda total de energía del RAS. Cabe señalar que el uso de UASB en acuapónica también permitirá una recuperación significativa de hasta un 50% más de nutrientes como nitrógeno, fósforo y potasio, ya que se liberan en el agua como resultado de la biodegradación sólida (Goddek et al. 2018).

El biorreactor de membrana anaeróbica (AnmBR) es una tecnología más avanzada. El proceso principal consiste en usar una membrana especial para separar los sólidos del líquido en lugar de usar un proceso de decantación como en UASB. La fermentación de lodos se produce en un tanque anaeróbico simple y los efluentes lo dejan a través de la membrana. Dependiendo del tamaño del poro de la membrana (bajando a 0.1—0.5 μm), incluso los microorganismos pueden ser retenidos. Existen dos tipos de diseño biorreactor de membrana: uno utiliza un modo de corriente lateral fuera del tanque, y el otro tiene la unidad de membrana sumergida en el tanque (Fig. 10.6), siendo este último más favorable en la aplicación ANMBR debido a su configuración más compacta y menor consumo de energía (Chang 2014). Las membranas de diferentes materiales, como cerámica o polimérica (por ejemplo, fluoruro de polivinildeno (PVDF), polietileno, politersulfona (PES), cloruro de polivinilo (PVC)) pueden configurarse como placas y bastidores, fibras huecas o unidades tubulares (Gander et al. 2000; Huang et al. 2010). AnmBR tiene varias ventajas significativas sobre los reactores biológicos típicos como el UASB, a saber, el desacoplamiento del tiempo de retención de lodos (largo) y (corto) tiempo de residencia hidráulica (HRT), lo que permite superar el problema de la cinética lenta del proceso AD; muy alta calidad de efluentes en la que la mayoría de los los nutrientes permanecen; y la eliminación de patógenos y una pequeña huella (Judd y Judd 2008). Además, la producción eficiente de biogás en el ANMBR puede resultar en un balance energético neto.

Fig. 10.6 (a) MBR de corriente lateral con una unidad de filtración separada con el fluido retenido reciclado de nuevo al biorreactor; (b) MBR sumergido: unidad de filtración integrada en el biorreactor. (Gander y otros 2000)

Si bien esta tecnología merece mucha atención e investigación, cabe señalar que, dado que se trata de una tecnología bastante nueva, todavía hay varios inconvenientes importantes que deben abordarse antes de que la industria acuícola adopte ANMBR. Estos son los altos costos operativos debidos al mantenimiento de la membrana para evitar el biofouling, el intercambio regular de membranas y la alta co<sub2/subfracción (30— 50%) en el biogás, lo que limita su utilización y contribuye a la emisión de gases de efecto invernadero (GEI) (Cui et al. 2003). Como aspecto positivo, en un futuro próximo se desarrollarán nuevas técnicas de prevención de la biotecnología, mientras que el costo de la membrana disminuirá con el uso más amplio de esta tecnología. La combinación de un UASB con un reactor de membrana para filtrar el efluente UASB ha sido estudiada con éxito para eliminar el carbono orgánico y el nitrógeno (An et al. 2009). Esta combinación parece una opción prometedora para la acuapónica para el uso seguro y sanitario de los efluentes UASB.

Implementación ## 10.4.1

Una posible solución para la aplicación de reactores anaeróbicos es de manera secuencial (véase también [cap. 8](/comunidad/artículos/capter-8-sistemas aquapónicos desacoplados). Una combinación de «pH alto y pH bajo» permite cosechar metano (y así reducir el carbono) en el primer paso de pH alto y movilizar nutrientes en el lodo descarbonizado en un entorno posterior de pH bajo. La ventaja de este método es que la reducción de carbono en condiciones de pH alto resulta en menos VFA, lo que puede ocurrir durante el segundo paso de pH bajo (Fig. 10.7). Este enfoque también permite la co-digestión de la materia vegetativa verde (es decir, de cualquier cosecha de plantas, habrá materia vegetativa residual que podría pasar a través de dicho digestor) para aumentar tanto la producción de biogás como la recuperación de nutrientes del esquema general.

Otra posibilidad de integración técnica ha sido presentada por Ayre et al. (2017). Proponen descargar el efluente de un digestor anaeróbico de alto pH a un estanque de cultivo de algas. Dentro de ese estanque se cultivan algas, cuya biomasa se puede utilizar para la alimentación animal de acuicultura o biofertilización (Fig. 10.8). Puede encontrarse información más detallada sobre este enfoque en cap. 11.

Fig. 10.7 Sistema anaeróbico de dos etapas. En la primera etapa (pH alto), el carbono se eliminará del lodo como biogás, mientras que el bajo pH en la segunda etapa permite que los nutrientes atrapados en el lodo se disuelvan en el agua. Por lo general, los ácidos grasos volátiles (VFA) se formarían en ambientes de bajo pH. Sin embargo, la eliminación de la fuente de carbono en la primera etapa limita la producción de VFA en una configuración secuencial de este tipo

Fig. 10.8 Sistema de digestión anaeróbica integrado con acuicultura y cultivo de algas basado en Ayre et al. (2017)