Aplicación de pretratamientos físicos y tratamientos biológicos al agua residual de rastro como estrategia para mejorar el rendimiento de metano Public Deposited
This thesis aimed to evaluate methane production in batch reactors and a laboratory-scale hybrid UASB reactor during physically pretreated slaughterhouse wastewater treatment. Therefore, the experiment was carried out in three stages: In the first stage, the slaughterhouse wastewater (SWW) underwent a thermal pretreatment (120 °C, 1 atm, 60 min), in which two phases appeared, a liquid (pretreated water) and a semisolid (T). The semisolid went through a mechanical pretreatment (TM), which consisted of homogenization at 30,000 rpm for 1 minute, reducing the particle size from 118.17 to 68.79 μm and increasing the specific surface area from 0.412 to 0.966 m2/g. Both semisolids (T and TM) and SWW were the substrates in biochemical methane potential (BMP) tests, evaluating five different substrate/inoculum (S/I) ratios (1:1, 2:1, 3:1, 4:1, and 5:1). The results showed that both semisolids produced up to fourteen times more methane than SWW; also, the cumulative methane production curves had a stepped form, while with the SWW, they were sigmoidal. Moreover, the highest methane production occurred with the 4:1 S/I ratio; however, in the second experimental stage, the 3:1 S/I ratio was employed to avoid the risk of acidification. In the second stage, new BMP tests were carried out to detail the nitrogenous and carbonated organic matter's behavior. The specific maximum methane production rates were 16 mL CH4/g SV.d for T, and 15 mL CH4/g SV.d for TM, finding that the stepped form in the cumulative methane production curves resulted from a momentary inhibited steady-state due to the accumulation of ammonium (2.8 g/L) and acetate (7.7 g/L), which caused a delay in the production of methane. When these by-products were exhausted, methane production increased. Finally, in the third stage, a hybrid UASB reactor (HUASB) was evaluated. The HUASB consisted of an anaerobic module (UASB) and a zeolite module. The reactor influent was the water obtained after the thermal pretreatment, assessing five different volumetric organic loads (2 – 4, 4 – 6, 6 – 8, 8 – 10, and 10 – 12 g TCOD/L.d). The results showed that the reactor could operate without presenting system instability under all organic loads evaluated. The organic matter removal efficiency with the highest loads tested was close to 70%, obtaining 3.1 L CH4/Lreactor.d, while ammonia exhibited removals of 37.3%. These results demonstrated that the physical pretreatments improved the compounds' bioavailability, facilitating their transformation into methane. Moreover, good removal efficiencies for organic compounds were achieved in the HUASB reactor.
El objetivo de esta tesis fue evaluar la producción de metano en reactores en lote, así como en un reactor UASB híbrido a escala laboratorio durante el tratamiento de aguas residuales de rastro pretratadas físicamente. Así, el desarrollo experimental se realizó en tres etapas: En la primera etapa, el agua residual de rastro (ARR) fue sometida a un pretratamiento térmico (120 °C, 1 atm, 60 min), con el que se obtuvieron dos fases: un líquido (agua pretratada) y un semisólido (T). Una parte de este semisólido se sometió también a un pretratamiento mecánico (TM), el cual fue una homogenización a 30000 rpm durante 1 minuto, logrando disminuir el tamaño de partícula de 118.17 a 68.79 μm e incrementar el área superficial específica de 0.412 a 0.966 m2/g. Ambos semisólidos (T y TM), así como el agua de rastro cruda (ARR), fueron sometidos a pruebas de biopotencial de metano (BPM), evaluando cinco diferentes relaciones sustrato/inóculo (1:1, 2:1, 3:1, 4:1 y 5:1). Ambos semisólidos produjeron hasta catorce veces más metano que el ARR, además, las formas en las curvas de producción de metano con los semisólidos fueron escalonadas, mientras que con el ARR fueron sigmoidales. También se encontró que la relación con la que se produjo más metano fue la de 4:1; sin embargo, para evitar riesgo de acidificación, en la siguiente etapa se trabajó con la relación 3:1. En la segunda etapa, se realizaron nuevas pruebas BPM con el fin de seguir detalladamente el comportamiento de la materia orgánica nitrogenada y carbonada. Las tasas máximas específicas de producción de metano fueron de 16 mL CH4/g SV.d para T y de 15 mL CH4/g SV.d para TM, encontrando que la forma escalonada en las curvas de producción de metano fue producto de un estado estacionario inhibido momentáneo causado por la acumulación de amonio (2.8 g/L) y acetato (7.7 g/L), provocando una disminución en la producción de metano. Cuando estos subproductos fueron consumidos, incrementó de nuevo dicha producción de metano. Finalmente, en la tercera etapa, se evaluó el desempeño de un reactor híbrido UASB (HUASB), el cual constó de un módulo anaerobio (UASB) y un módulo de zeolita. El influente del reactor fue el agua obtenida después del pretratamiento térmico, evaluando cinco diferentes cargas orgánicas volumétricas (2 – 4, 4 – 6, 6 – 8, 8 – 10 y, 10 – 12 g DQOT/L.d). Los resultados mostraron que el reactor fue capaz de operar bajo todas las cargas sin presentar inestabilidad. Las eficiencias de remoción de materia orgánica, medida como DQOT y DQOS, con la carga de 10 – 12 g DQOT/L.d fueron cercanas al 70%, registrando una producción de metano de 3.1 L CH4/Lreactor.d; mientras que el amonio presentó remociones del 37.3 %. Con los datos obtenidos se logró demostrar que los pretratamientos físicos mejoraron la biodisponibilidad de los compuestos para ser transformados en metano, además de obtener buenas eficiencias de remoción de compuestos carbonados y nitrogenados en el reactor HUASB.
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