4. Biotecnologia Ambiental 240309

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE NICARAGUA"Sirviendo a la Comunidad”

Biotecnología Ambiental

Conferencia:

Biotecnología Ambiental• Aplicación de la Biotecnología

en la conservación del Medio Ambiente:– Suelos– Aguas– Aire

• Incluye la aplicación de las herramientas de la naturaleza a la industria.

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Limpieza de contaminantes:Utilizando plantas y microorganismos se consiguen descontaminar:

1.Las aguas Lodos activosDigestiones anaerobias

2.El sueloFitorremediaciónBioremediación

3.La atmósferaBiofiltros

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Diferencias entre Tratamientos Biológicos y Procesos Microbianos

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René Descartes (1596 – 1650)• Descartes presentó en

1637 su célebre Discurso del método para dirigir bien la razón y hallar la verdad en las ciencias, donde proponía la duda metódica para llegar a la verdad y se basaba en el principio: Pienso, luego existo12/04/2023 Dr. R. A. González 5

Contaminación: !algo inevitable!

• Ejemplo: En todo asentamiento humano se producen por sus habitantes residuos sólidos, que afectan al medio

• Estos residuos constituyen los Residuos Sólidos Municipales (RSM), o sea la basura urbana.

En 1990 Thibodeaux, parrafraseando a Descartes, formuló la primera de sus “Cinco Leyes de los Residuales Peligrosos”:1. Existo, por lo tanto, contamino: Esta ley resulta válida

tanto para productores, fabricantes y todos los transformadores y manipuladores de materiales, como para la población.

Louis J. Thibodeaux12/04/2023 6Dr. R. A. González

!Pero que podemos minimizar!

Si viven personas

Se produce basura

Si no se trata la basura

Se producen

Vectores Malos Olores

Enfermedades

Si se trata bien la basura

Se recupera materia prima

Se ahorra energía

Se preserva el medio

Se protege la salud

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Medidas a tomar• En la composición de los RSM

(basura urbana) tienen un peso importante (=> 50%) los denominados “desechos orgánicos”:– Estos se pueden procesar por

métodos biológicos, para convertirlos en abono orgánico de alta calidad (compost) y también en biogás.

– Los compuestos orgánicos presentes en los residuales líquidos se pueden procesar de igual forma para producir biogás


Medidas a tomar• Además, buena parte del

resto de la basura es en realidad materia prima valiosa y constituye la denominada fracción reciclable de la basura


Reciclado en general

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Derrame de petróleo en el mar

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Bioremediación• Proceso dirigido o

espontáneo, que ocurre generalmente en el suelo, mediante el cual se emplean organismos biológicos (microorganismos y plantas), para degradar productos químicos y otros contaminantes sólidos, líquidos y gaseosos, que existen o se inyectan al suelo, corrientes o reservorios de agua.

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Bioremediación “in situ”

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• Se usa en suelos permeables contaminados bajo la superficie.

• Se inyecta agua con microorganismos y nutrientes a través de pozos.

• Se bombea el agua contaminada a la superficie, se depura y se vuelve a inicial el ciclo.

• Se pueden utilizar microorganismos presentes o introducir nuevas especies.

Otros tipos de Bioremediación• Bioremediación “on site”

– Se excava el suelo y se deposita sobre piscinas con fondo arenoso, revestidas de material impermeable y con un sistema de drenaje del agua.

– La superficie se riega con soluciones enriquecidas en nutrientes y se le añaden microorganismos.

• Bioremediación “ex situ”– El más eficiente pero más costoso. – El suelo contaminado se lleva grandes fermentadores

cilíndricos que giran sobre su eje para agitar el suelo.– Durante el tratamiento se añade oxígeno y nutrientes, en

condiciones de temperatura controlada.

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Fitoremediación

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.

Se utilizan las plantas para remediar aire, suelos, sedimentos, agua superficial y agua subterránea contaminadas

.Procesos mediante los cuales las plantas incorporan las sustancias contaminantes

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Ejemplo de Fitoremediación

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Humedades artificiales: Solución de tecnología “biológica que actúan como filtros naturales.

.

Fitoremediación

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Los árboles, además de fijar CO2 y producir O2 pueden eliminar contaminantes del suelo. Ejemplo: Una bacteria que vive en las raíces de los álamos produce una enzima que destruye los residuos de RDX, un componente químico utilizado por la industria militar.

Para descontaminar la atmósfera• Procesos para eliminar

H2S de gases residuales con Thiobacillus ferrooxidans. La bacteria se utiliza para regenerar la solución que absorbe el H2S

• Biofiltros para la eliminación de emisiones gaseosas con malos olores y para pequeñas concentraciones de compuestos orgánicos volátiles (VOCs).

12/04/2023 19Dr. R. A. González

Biofiltros extensivos en suelo• Se emplea la inyección en el suelo, donde

los m. o. degradan el contaminante

12/04/2023 20Dr. R. A. González

Biofiltro en montaje, sin medio filtrante

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Biofiltros modulares compactos

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Concentración de materia orgánica en residuales líquidos

• Se mide con los análisis DQO y DBO5.

• DQO (Demanda Química de O2): Cantidad de O2 necesario para oxidar la materia orgánica y convertirla en CO2 y agua.

• DBO5 (Demanda Biológica de O2): Cantidad de O2 empleado por los microorganismos, en un periodo de 5 días, para descomponer la materia orgánica de las aguas residuales, a una temperatura de 20 °C. – El valor de la DQO es casi siempre superior al de la

DBO5 (muchas sustancias orgánicas pueden oxidarse químicamente, pero no biológicamente)

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Estándar seleccionado para DBO• El tiempo de 5 días y la

temperatura de 20oC no tienen un fundamento teórico sino histórico.

• Estos valores fueron adoptados en Inglaterra, a principios del Siglo XX, basado en que los ríos británicos no se demoraban más de 5 días para llegar al mar y la temperatura media de verano, a largo plazo, no excedía 18.3°C

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Comparación Carga Orgánica de Residuales industriales y de

alcantarillado

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Tipo residual DQO (mg l-1 )

Aguas de alcantarillado

20 a 300

Suero queserías 35,000

Vinaza Destilería 70,000

Residuo industria de aceite de oliva

150,000

DQO y DBO de varios residuales

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Efluente DBO (mgl-1) DQO (mgl-1)

Azúcar de remolacha 850 1,150

Efluente doméstico 350 300

Lavado de ropas 1,600 2,700

Almidón de harina 12,000 17,150

Concepto de Población Equivalente (PE)

• Número de personas (PE), necesario para producir la misma cantidad de residuos que una instalación industrial dada.

• Se expresa en DBO5

• Se estima en 70 g por persona y día (a 20oC). – Ejemplo: PE de una fábrica de queso de 1,000,000 litros

por día, equivale a una población de 500.000 habitantes

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Tecnologías de tratamiento para aguas residuales

Procesos Anaeróbicos Procesos Aeróbicos

Lagunas

Lagunas aireadas naturalmente Lagunas anaeróbicas Lagunas anaeróbicas cubiertas

Lagunas aireadas Lagunas facultativas Lagunas de maduración (post tratamiento)

Procesos de poco mantenimiento, con baja energía:

Tanques sépticos Tanques Imhoff

Filtros de grava Cascadas

Procesos intensivos de alto rendimiento:

Reactor de cama de lodo (UASB) Reactor de cama fluidizada Reactor de cama fija

Procesos de lodo activado Filtros percoladores Discos biológicos fijos

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Tratamiento Residuales domésticos

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Fosa Séptica

Tratamiento Residuales Domésticos

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Tanque Imhoff

Tratamiento Residuales domésticos

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Digestión Residuos Orgánicos Líquidos (Aguas Residuales)

– La digestión se puede realizar de forma aerobia o anaerobia.– Procesamiento Aerobio:

• Lodos Activados– Procesamiento

anaerobio:• Digestión anaerobia

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Proceso Aerobio de Lodos Activados

12/04/2023 33Dr. R. A. González

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Digestión Anaerobia Vs. Lodos Activados

12/04/2023 35Dr. R. A. González

Sustratos líquidos adecuados para la Digestión Anaerobia

• El sistema de tratamiento anaerobio es adecuado para aguas residuales de:– Destilerías– Empresas de producción de azúcar de caña– Empresas productoras de Levaduras– Plantas de procesamiento de Café– Rastros– Lecherías– Cervecerías– Empresas de sisal (agave)– Empresas de conservas y muchas otras …

12/04/2023 36Dr. R. A. González

Aplicaciones de la Digestión Anaerobia

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12/04/2023 38Dr. R. A. González

Beneficios y Ventajas del tratamiento Anaerobio

• Producción de electricidad y energía térmica• Producción de fertilizante de alta calidad• Obtención de ingresos por la venta de fertilizantes y

energía• Mejora de las condiciones higiénicas, mediante la

reducción de patógenos, moscas y huevos de lombrices• Ventajas ambientales debido a la protección del suelo,

agua y aire• Beneficios macro económicos por generación de

energía descentralizada y protección del medio ambiente

• Se puede negociar la venta de Certificados de Reducción de Emisiones de Gases de Efecto Invernadero

12/04/2023 39Dr. R. A. González

Digestión Anaerobia Vs. Lodos Activados

• El proceso de lodo activado es más sencillo y fácil de regular, pero su costo de operación es mayor y energéticamente es menos eficiente

• La digestión anaerobia es más compleja, pero es muy eficiente energéticamente

• Con las nuevas tecnologías desarrolladas las plantas anaerobias se convierten en fiables y competitivas.

12/04/2023 40Dr. R. A. González

Situación actual de la tecnología de digestión anaerobia

• El tratamiento anaerobio ha llegado a ser un enfoque aceptado y estandarizado para el tratamiento de aguas residuales industriales con elevada carga orgánica.

• A esto ha contribuido que durante los pasados 20 años ha existido un avance significado en el entendimiento de la microbiología involucrada y en aplicar los principios fundamentales al diseño y desarrollo de las tecnologías de tratamiento anaerobio.

• Por lo tanto, dependiendo del tipo de agua residual y otros factores una tecnología anaerobia en específico puede ser más apropiada y eficiente en costo que otra (filtros anaerobios, UASB, lagunas mejoradas, etc.)

12/04/2023 41Dr. R. A. González

Proceso UASB

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Digestión Anaerobia de Residuos Orgánicos Líquidos

12/04/2023 43Dr. R. A. González

Uso combinado de tratamiento anaerobio y aerobio en una cervecera

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Digestión Residuos Orgánicos Sólidos y Semi sólidos

– La digestión se puede realizar de forma aerobia o anaerobia.– Procesamiento

Aerobio:• Compostaje

– Procesamiento anaerobio:• Digestión

anaerobia

12/04/2023 45Dr. R. A. González

Compostaje• No recupera energía• Requiere separación

en el origen para alcanzar una calidad adecuada

• Puede hacerse manual o utilizarse tecnología moderna.

• El proceso manual es el más apropiado para la pequeña escala

12/04/2023 46Dr. R. A. González

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Compostaje doméstico

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Compostaje tecnificado

• Equipo para voltear las pilas de compost

• Equipo de medición de temperatura y CO2

12/04/2023 50Dr. R. A. González

Limitaciones del proceso de compostaje tecnificado

• Para que una instalación opere eficientemente y permita un buen Proyecto de Reducción de Emisiones (MDL), se necesita capacidad procesamiento <= 100 – 150 t/día de residuos sólidos con un contenido de materia orgánica superior al 60%.

• Para cantidades menores no se justifica un proyecto MDL y la mejor opción es el compostaje manual

12/04/2023 51Dr. R. A. González

Aptitud de los Residuales Orgánicos para la Fermentación o el Compostaje

Humedad decreciente

DIGESTION ANAEROBIA COMPOSTAJE

Estiércol líquido /lodos de alcantarillado Residuos de establos Residuos de mesa Residuos de cocina Residuales orgánicos industriales Residuales biológicos (rural/urbanos) Siega de césped / hojas Poda setos, residuos huertos

12/04/2023 52Dr. R. A. González

Digestión Anaerobia vs. Compostaje

Digestión Anaerobia

Compostaje

Evita emisiones de metano

sí (si se utiliza el gas)

sí (bien controlado)

Reduce emisiones por substitución de energía para usuarios externos

sí (con utilización de gas)

no (tiene emisiones por consumo energía)

Bajos requerimientos de combustibles fósiles

sí no (el tecnificado)

12/04/2023 53Dr. R. A. González

Sustratos Sólidos adecuados para la Digestión Anaerobia

• Desechos de industrias de producción de alimentos• Componentes orgánicos de los Residuos Sólidos Urbanos

(!basura!)• Desechos orgánicos separados en los hogares (ejemplo:

desperdicios de la cocina)• Residuos de alimentos de restaurantes, comedores y

mercados• Residuos orgánicos de Mataderos (Rastros)• Residuales agropecuarios (Ejemplo: estiércol y residuos de

cosechas)• Lodos de las plantas de tratamiento de aguas residuales• Cultivos de plantas energéticas.

12/04/2023 54Dr. R. A. González

Digestión Anaerobia de Residuos Sólidos o semi-sólidos

12/04/2023 55Dr. R. A. González

Plantas de biogás de pequeña escala

• Las de mampostería (modelos chino e indio) son muy duraderas

• Las de plástico duran menos pero son mucho más económicas y es la que más se utiliza en la actualidad a nivel familiar. 5612/04/2023 Dr. R. A. González

Biodigestor familiar moderno• Un biodigestor de este tipo resulta económico y se ha

probado con éxito en las zonas agrícolas de Nicaragua• Por lo tanto la tecnología de producción de biogás es un

problema resuelto en la pequeña escala.

12/04/2023 57Dr. R. A. González

Aplicaciones prácticas del biogás

12/04/2023 58Dr. R. A. González

Aplicaciones prácticas del biogás

12/04/2023 59Dr. R. A. González

Procesos industriales de digestión residuos sólidos y semi sólidos

12/04/2023 60Dr. R. A. González

Tratamiento combinado anaerobio – aerobio para la fracción orgánica de los RSU

12/04/2023 61Dr. R. A. González

Digestores industriales• Se utilizan digestores con paredes de mampostería

o acero, con cubierta plástica flexible.

12/04/2023 62Dr. R. A. González

Equipos de cogeneración• Incluye unidades de cogeneración para la generación

simultánea de energía eléctrica y térmica, lo que asegura una elevada eficiencia y una mayor economía de proceso.

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Otro uso del biogás• También el

biogás puede usarse directamente para sustituir combustibles fósiles en calderas y hornos.

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Eliminación de azufre

• Utiliza un proceso especial para la eliminación de los compuestos de azufre, basado en la adición controlada de muy pequeñas cantidades de aire.

12/04/2023 65Dr. R. A. González

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Ejemplos de rendimiento de algunos substratos

t/d cbm Biogas/d kWhel/d kWhth/dDesechos de aves 100 9600 19000 28800Estiércol de pavo 100 19300 41400 62700Estiércol vacuno 100 2900 6200 9400Estiércol de cerdos 100 2200 4700 7200Res. orgánicos municipales 100 10800 24900 37800Residuos grasos 100 43200 99800 151200Residuos de mercados 100 5900 13600 20700Ensilage de hierbas 100 21500 38800 58800Residuos de papas 100 6800 11500 17500Ensilaje de maíz 100 15800 31300 47400Contenido de rumen 100 4500 9900 15100Residuos de cocina 100 9000 20800 31500Hierba 100 10300 18100 27400

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Rango de capacidad para plantas de Digestión de RSU (Tecnología actual)

• Se requiere como mínimo 30 t/día de fracción orgánica de RSU

• Se prefieren capacidades mayores de 40 t/día (economía de escala)– Para obtener esa cantidad se requiere un

municipio grande o un conjunto de municipio.

• Se necesita una tecnología más económica que haga rentables plantas de pequeña y mediana escala

12/04/2023 68Dr. R. A. González

Proyecto Planta Piloto de Producción de Biogás

• Para el diseño, construcción y puesta en marcha de una Planta Piloto de Producción de Biogás.– Se espera obtener una tecnología de producción

más adecuada a las condiciones específicas de América Latina.

• Además la instalación servirá para otras investigaciones de procesos anaerobios y también tendrá carácter docente.

12/04/2023 69Dr. R. A. González


• Proyecto de I + D en fase final de elaboración (primer semestre del 2009), de conjunto con las compañías ADS de Alemania y H.J. Wiefferink b.v., de Holanda.

• Se cuenta con un pequeño financiamiento por la firma holandesa, pero hay que buscar la mayor parte del mismo.

• Se espera comenzar búsqueda de financiamiento a inicios del 2009

7012/04/2023 Dr. R. A. González


12/04/2023 71Dr. R. A. González

Digestor de Laboratorio

La Planta Piloto contará con un digestor de Laboratorio y otros equipos para la investigaciones en tecnología anaerobia.

12/04/2023 72Dr. R. A. González

Desarrollo del Programa de Biogás y Compost

• El Proyecto de Planta Piloto para la búsqueda de una tecnología más económica debe durar dos años.

• A partir de ese momento, la planta piloto y el equipamiento de laboratorio se utilizarán para desarrollar otros Proyectos de este Programa.

12/04/2023 73Dr. R. A. González

1. Desarrollo demostrativo en Diriamba, extensión a León, Matagalpa y Jinotega, Estelí y Chinandega

2. Incluye la Digestión Anaerobia y Aerobia de la Fracción Orgánica de los RSU, para producir compost y biogás y cogenerar energía eléctrica y térmica o sustituir combustible fósil.

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Programa de Extensión: PM-PGIRSU

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3. Se basa en lograr la separación en el origen:– Imprescindible lograr la

separación en el origen (domiciliario e institucional) de dos fracciones: • Fracción húmeda (orgánica

putrescible)• Fracción seca (inorgánica y

orgánica no putrescible).– Se tomó como base la

experiencia obtenida del Distrito Federal de México

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PM-PGIRSU

4. Introduce la Recolección Selectiva, cuando se comience la Separación en el Origen e incluye:– Optimizar Recorrido de

Vehículos de Recolección

– Maximizar Recuperación de Material Reciclable

– Definir las Estaciones de Transferencia necesarias.

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PM-PGIRSU

• Se prevén Centros de Acopio del material reciclable para separar y acondicionar sus distintos componentes (papel, cartón, vidrio, plásticos) y organizar su comercialización.

5. Considera la Comercialización del Material Reciclable, dentro del Proyecto de Optimización del Sistema de Recolección y Transporte de los RSU.

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PM-PGIRSU

6. Considera la proyección de Plantas de Compostaje, como complemento de las Plantas de Biogás o sustituto de éstas en los casos en que no resulten rentables las Plantas de Biogás (municipios muy pequeños)

12/04/2023 78Dr. R. A. González

PM-PGIRSU

Sistema de Gestión Integral de RSU (sin producción de biogás)

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PM-PGIRSU7. La Planta de Biogás

es parte fundamental del sistema, y emplea digestores con cubierta plástica flexible. • Utiliza un proceso especial

para eliminar compuestos de azufre, basado en la adición controlada de muy pequeñas cantidades de aire.

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8. La Planta de Biogás incluye unidades de cogeneración para la generación simultánea de energía eléctrica y térmica.

PM - PGIRSU

• También puede usarse el biogás directamente para sustituir combustibles fósiles en calderas y hornos.

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PM-PGIRSU9. El Sistema incluye un Relleno Sanitario para la

Disposición final de los Residuos no Reciclados, el que incluye las medidas necesarias para asimilar los residuos orgánicos que no hayan sido procesados como biogás o compost.

12/04/2023 82Dr. R. A. González

!GRACIAS POR SU ATENCIÓN!

12/04/2023 83Dr. R. A. González

4. Biotecnologia Ambiental 240309

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