Study of the autohydrolysis pretreatment of secondary sludge and its influence on the anaerobic digestion

Resumen

El aumento del número de plantas de tratamiento de agua y las estrictas normas asociadas a la calidad de los residuos producidos, ha hecho necesario mejorar la eficiencia de la digestión anaerobia de fango. Los pre-tratamientos de fango secundario han mostrado importantes avances en la remoción de sólidos volátiles y en la eliminación de patógenos del fango, como también han mostrado efectos positivos en la producción de biogás. Sin embargo los pre-tratamientos de fango están asociados con altos costos de operación. Este estudio se centró en la evaluación del pre-tratamiento de auto-hidrólisis en fango secundario, y la mejora de la digestión anaerobia. El trabajo desarrolla tres objetivos principales correspondientes al estudio del efecto producido por el pre-tratamiento de auto-hidrólisis en: el fango secundario, la digestión anaerobia y además presentar una propuesta de mecanismo del pre-tratamiento. El estudio del efecto del pre-tratamiento en el fango secundario mostró la solubilización de la materia orgánica, el rendimiento se vio afectado por distintos factores: 1) el aumento de la concentración inicial de fango, aumentó la solubilización de materia orgánica, y 2) la cantidad limitada de aire disponible durante el pre-tratamiento controla la producción de ácidos grasos volátiles y el consumo de materia orgánica. Cuando el pre-tratamiento fue realizado a 55ºC y durante 12 horas se obtuvo entre 20 ¿ 30% de solubilización de materia orgánica, y aproximadamente el 5% de consumo de materia orgánica. Por otra parte, la reología del fango también fue afectada por el pre-tratamiento, reduciendo su resistencia a fluir, por lo tanto el requerimiento energético asociado a bombeo o agitación de fango secundario con alto contenido de sólidos sería similar al requerimiento de un fango sin pre-tratamiento con bajo contenido de sólidos. El estudio del efecto del pre-tratamiento en la digestión anaerobia mostró la mejora del proceso. La digestión anaerobia mesófila de fango pre-tratado mostró un aumento en la productividad de metano de aproximadamente 20% en ensayos en condiciones batch. Por otro lado no se obtuvo mejora cuando la digestión anaerobia fue realizad en condiciones termófilas. La digestión anaerobia en operación continua, mostró la factibilidad de operar con fango secundario concentrado (8% de sólidos totales), a pesar de las altas concentraciones de amonio obtenidas como producto del contenido de compuesto nitrogenado en el fango. Se utilizaron dos digestores anaerobios de 20L cada uno para comparar el efecto del pre-tratamiento, obteniendo como resultado distintos rendimientos al ser sometidos a distintas condiciones operacionales. La producción de biogás y la productividad de metano aumentaron alrededor de 20% a 20d de tiempo de retención de sólidos, 15% a 15d de TRS y 10% a 15d de TRS, sin embargo la operación a 13d de TRS mostró una diferencia despreciable. El estudio de la descripción del mecanismo del pre-tratamiento de auto-hidrólisis mostró un aumento en la cantidad de la actividad enzimática de dos enzimas en la fase soluble: amilasa y proteasa; mientras que la actividad enzimática total disminuyó durante el pre-tratamiento. Por otro lado, la población mesófila disminuyó, mientras la población termófila aumentaba durante el pre-tratamiento. La comparación del pre-tratamiento realizado a distintas temperaturas mostró una mayor actividad y estabilidad de las enzimas, como un mayor crecimiento de la población termófila, cuando el pre-tratamiento se realiza a 55ºC en vez de 40 o 70ºC. Sin embargo, no fue posible relacionar directamente el crecimiento de la población termófila con el aumento de las enzimas hidrolíticas, por lo tanto, el aumento observado de la actividad enzimática durante las primeras horas de pre-tratamiento, sería causada por la desorción de las enzimas desde la matriz exo-polimérica del flóculo. Adicionalmente, la cantidad de microorganismos activos termófilos luego de 9 horas de pre-tratamiento representan el 3% de la población inicial en el fango fresco, por lo tanto es una población muy pequeña como para permitir la cuantificación de las enzimas secretadas, o como para producir un consumo de materia orgánica significativo. En resumen, el pre-tratamiento de auto-hidrólisis consiste en la des-estabilización del floculo de fango secundario debido a un efecto térmico, luego la materia orgánica es hidrolizada por la acción de las enzimas presentes en el fango secundario, las cuales son relativamente estables durante 6 ¿ 9 horas de pre-tratamiento.