Estudio de la producción de hidrógeno en reactores UASB a partir de lodo granular

Abstract

"Hydrogen (H2) has the potential to supply energy needed for transportation, given the fact that 34x103 kcal of energy is obtained and 9 kg of water as only residue per kg of gas is produced during the combustion process. Fuel cells are capable of use H2 directly to generate electricity without the deleterious effects on the air quality and natural resources due to the use of fossil fuels. Currently, H2 is produced from natural gas and hydrocarbon processing. However, the use of biomass for H2 production allows the reuse of organic waste materials making H2 production a source of clean and sustainable energy. Among the current technologies in use, fermentation allows to convert carbohydrates to bio-hydrogen (Bio-H2) and other products (acids and alcohols). Main obstacles for practical application of this technology are low hydrogen yields (HY) and low volumetric hydrogen production rate (VHPR). Continuous fermentation processes using immobilized bacteria (granular sludge) yield high VHPR and permit the use of smaller reactors such as the upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor. Time needed to form hydrogenogenic granules (hydrogen producing granules, H2PG) may be reduced through the use of methanogenic granular sludge treated for their enrichment in hydrogen producing bacteria. This work has the objective to evaluate the use of methanogenic granular sludge for the development of H2PG. Batch experiments showed that heat treating can suppress methanogenic activity of the methanogenic granular sludge obtaining high VHPR. The use of sodium phosphate buffer solution at initial pH of 6 generates higher values of HY, VHPR and H2 content in biogas than reported in literature. Continuous culture experiments, in UASB reactors, using the heat-treated methanogenic granular sludge were conducted. The effect of the organic loading rates (OLR) on the performance reactor was studied. OLR was changed by changing the substrate concentration and the HRT. Tested substrate concentrations were in the range of 5.3 to 17 g/L glucose. Maximum VHPR of 1650 mL H2/L/d and HY of 0.6 mol H2/mol glucose was obtained at an OLR of 23.4 g DQO/L/d and HRT of 17 h."

"El hidrógeno (H2) es un gas con potencial para cubrir las necesidades energéticas principalmente del rubro de transporte ya que por cada kilogramo se obtienen 34x103 kcal y 9 kg de agua como único producto durante el proceso de combustión. Las celdas de combustible son capaces de usar directamente H2 para generar electricidad sin el deterioro de la calidad de aire y de los recursos naturales que ocasiona el uso de combustibles fósiles. Actualmente, el H2 proviene del procesamiento del gas natural e hidrocarburos. Sin embargo, el uso de fuentes renovables como la biomasa para la generación de H2 permite la utilización de materiales de desecho lo que la convierte en una fuente de energía limpia y sustentable. Entre las tecnologías utilizadas está la fermentación que permite la conversión de los carbohidratos en bio-hidrógeno (Bio-H2) y otros productos (ácidos y alcoholes). Los principales obstáculos para la aplicación práctica de esta tecnología se encuentran en los bajos rendimientos molar de hidrógeno (RMH) y velocidades volumétricas de producción de hidrógeno (VVPH). Procesos de fermentación continuos empleando bacterias inmovilizadas (gránulos) ofrecen altas VVPH y permiten el uso de reactores de menores dimensiones como el de lecho de lodo anaerobio de flujo ascendente (UASB). El tiempo de formación de gránulos con capacidad de producir Bio-H2 gránulos hidrogenogénicos: GH) en reactores UASB puede reducirse a través del uso de gránulos metanogénicos, formados en un reactor alterno, con tratamiento para su enriquecimiento en bacterias productoras de hidrógeno. Este trabajo tiene como objetivo evaluar el uso de gránulos metanogénicos para el desarrollo de GH. Experimentos en lote permitieron determinar que el tratamiento térmico inactiva la actividad metanogénica y obtener altas VVPH. El uso de la solución tampón de fosfatos de sodio y pH inicial 6 genera RMH (2.4 mol H2/mol glucosa) y contenido de H2 en el biogás (60 a 75%) superiores a los reportados en la literatura, así como VVPH (250 mL/L/h) comparables. En experimentos en continuo, llevados a cabo en reactores UASB, se evaluó el efecto que tiene la velocidad de carga orgánica (VCO), sobre el desempeño de los reactores. Inicialmente la VCO se aumento por medio de incrementos en la concentración de sustrato desde 5.3 hasta 17 g/L de glucosa. La máxima VVPH, 1650 mL H2/L/d y RMH de 0.6 mol H2/mol glucosa se obtuvieron a una VCO de 23.4 g DQO/L/d y TRH de 17 h."