Dinámica de calentamiento de un reactor UASB que trabaja en rango mesofílico, a través de un calentador solar.

Dinámica de calentamiento de un reactor UASB que trabaja en rango mesofílico, a través de un calentador solar.

INTRODUCCIÓN

La demanda energética mundial crece continuamente a la par de la población y las necesidades de ésta. Los combustibles fósiles son hasta el momento los principales abastecedores de energía en el mundo, sin embargo, el uso desmedido de éstos, podría tener efectos lamentables, tales como; el cambio climático e incluso una crisis energética (Kothari et al., 2010), por esta razón, es preciso el uso de fuentes de energía renovables que sustituyan a los combustibles, aceites y al gas natural (Wing et al.,2014 ), además se debe colaborar impulsando la aplicación de fuentes energéticas renovables, ya que es necesaria la implementación de tecnologías que lleven implícito el uso de la biomasa, energía eólica, geotérmica, hidráulica y solar, siendo ésta última la energía más abundante y con el potencial suficiente para convertirse en un aporte importante del consumo energético global, teniendo en cuenta que la superficie terrestre recibe 29 veces el consumo global de energía primaria (Zhong et al., 2015, Jingura et al., 2009).

Particularmente México, es un país con un alto potencial para el aprovechamiento de la energía solar en sus dos modalidades (térmica y fotovoltaica), con un promedio diario de irradiación de 5 KWh/m2d (Valdes et al., 2014, Rivero et al., 2015), dicho potencial energético se encuentra entre los mejores del mundo, esto se debe a que la localización de México en el globo terráqueo es muy favorable, encuentrándose en el hemisferio norte, entre las latitudes 14° 13’ y 32° 43’ (Rivero et al., 2015). Se ha estimado que para el año 2030 en México un 5% del total de suministro energético será por energía solar y en 2050 un 10% (Tien et al., 2015).

Por otra parte, en los trenes de tratamiento de aguas residuales los elevados costos por consumo energético tienen un gran impacto en las industrias, principalmente los tratamientos biológicos empleados, ya que, comúnmente suelen ser aerobios y estos implican el uso de aireadores, sin embargo, otra opción cuyo costo energético es menor son los tratamientos anaerobios, que si bien son difíciles de estabilizar, son una tecnología madura que presenta ventajas como; que el proceso no se ve limitado por la cantidad de oxígeno a abastecer, ya que, éste no es requerido, lo que lleva al ahorro de energía utilizada para el suministro de oxígeno, además la generación de lodos es lenta (0.1-0.4 Kg de biomasa/Kg de DBO eliminada) provocando que los tiempos de purga sean mayores, así mismo, permiten la recuperación de energía en forma de metano, por lo tanto, los costos de operación y mantenimiento son bajos y en el caso de tener un sistema de calentamiento algunos patógenos son eliminados, además de producir una energía limpia como es el biogás (Terreros et al., 2009, Holm et al., 2009, Feiquing et al., 2013, Jingura et al., 2009).

Hablando de procesos biológicos anaerobios, es importante mencionar que un factor que afecta de forma positiva o negativa a las bacterias es la temperatura, ya que, puede favorecer o no la remoción de carga contaminante y por lo tanto la producción de biogás. Particularmente los microorganismos anaerobios se desarrollan bajo condiciones mesofílicas (20°C a 35 °C), y termofílicas (36°C a 70°C) (Castillo, 2005, Zhenjie et al., 2012, Gutierrez et al., 2014). Sin embargo los tratamientos termófilos presentan demandas energéticas altas comparadas con los mesófilos. Se han realizado investigaciones donde se encontró que en el régimen mesófilo la producción de biogás es mayor que en el termófilo (Axaopoulos et al., 2001,). La generación de biogás puede llegar a ser tal que, en un rango de 35 ± 2°C (mesófilo) el rendimiento de éste podría alcanzar 0.5 m3/m3d, lo que sobrepasa el consumo de un hogar habitado por 10 personas (0.3 m3/m3d) (Yuan et al., 2011).

Elevar la temperatura de un reactor anaerobio puede representar altos requerimientos de energía, sin embargo, el empleo de la energía solar es una buena opción, ya que es amigable con el medio ambiente y puede ser una propuesta económicamente atractiva (El-Mashad et al., 2004, Yiannopoulos et al., 2008, Yiannopoulos et al., 2012), sin embargo, existen aún huecos en esta tecnología para comenzar a aplicarla a gran escala, ya que, se enfrenta a problemas como; la dependencia de factores ambientales que causan una disminución del aprovechamiento de la energía solar, tales como la nubosidad que afecta directamente a la radiación recibida en la superficie terrestre y que además esta relacionada con la duración de la luz solar y la irradiación (Suehrcke et al., 2013), elementos que son puntos clave en el aprovechamiento de la energía solar. Por otra parte también existen lapsos de tiempo con diferentes intensidades de radiación solar, en éste caso depende de los ciclos del día y las estaciones del año (Dumas et al., 2015).

Se han realizado numerosas investigaciones donde se pretende aprovechar la energía solar para solventar los requerimientos energéticos de un reactor anaerobio, no obstante los resultados no son iguales en todos los sitios del mundo y eso se debe a que, como se mencionó con anterioridad, la radiación solar depende de distintos factores. Los resultados encontrados en Mu’tah-Karak, Jordan se basan en un digestor escala piloto (53 L) el cual operó en rango mesofílico obteniendo que es viable satisfacer las necesidades de calor, ya que, la eficiencia del calentador solar es de un 61% y que la tasa de retorno es de un 32.6% (Alkhamis et al., 2000), por el contrario en Chengdu, China se ha observado que difícilmente la energía solar puede proveer suficiente calor a un tratamiento anaerobio, para que este se mantenga a temperatura constante, debido a las variaciones de la radiación solar que se ven favorecidas o desfavorecidas por el clima, la región, la estación del año e incluso si es de día o de noche (Zhenjie et al., 2012), por otra parte en un modelo simulado para distintas condiciones climatológicas en el mundo, se encontró también que, la incorporación de la energía solar a un sistema de tratamiento anaerobio o bien de digestión de excretas, además de incrementar la producción de biogás, permite el uso de éste para otras partes del proceso, en lugar de que éste sea empleado para el incremento de temperatura del reactor, sin embargo, también se cree que las fluctuaciones de energía solar pueden afectar la estabilidad del proceso, pero aún no se tiene la suficiente información sobre la actividad bacteriana en condiciones de fluctuación de temperatura (El-Mashad et al., 2002), de aquí la importancia de realizar una investigación completa de la dinámica de calentamiento de un reactor anaerobio por medio de un calentador solar, ya que diariamente y a través de las estaciones del año se obtienen fluctuaciones de la radiación solar, lo que repercute en la eficiencia de estos sistemas, hasta ahora los trabajos realizados se centran en modelos matemáticos o bien bajo condiciones ambientales apropiadas para obtener altos rendimientos, sin embargo no se ha estudiado una dinámica completa del proceso de incremento de la temperatura de un reactor anaerobio a través de energía solar.

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