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Diseño y construcción de un Reactor UASB a escala banco de laboratorio 
 
 
1 
UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO 
 
FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES ARAGÓN 
 
“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN REACTOR ANAEROBIO DE 
FLUJO ASCENDENTE COMO APOYO A LA DOCENCIA EN 
INGENIERÍA CIVIL DE LA FES ARAGÓN” 
T E S I S 
PARA OBTENER EL TÍTULO DE: 
INGENIERA CIVIL 
PRESENTA: 
XOCHITL RESENDIZ VILLALOBOS 
 
ASESOR: M. EN C. MARJIORIE MÁRQUEZ VÁZQUEZ 
 
MÉXICO 2013 
 
 
UNAM – Dirección General de Bibliotecas 
Tesis Digitales 
Restricciones de uso 
 
DERECHOS RESERVADOS © 
PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL 
 
Todo el material contenido en esta tesis esta protegido por la Ley Federal 
del Derecho de Autor (LFDA) de los Estados Unidos Mexicanos (México). 
El uso de imágenes, fragmentos de videos, y demás material que sea 
objeto de protección de los derechos de autor, será exclusivamente para 
fines educativos e informativos y deberá citar la fuente donde la obtuvo 
mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro, 
reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el 
respectivo titular de los Derechos de Autor. 
 
 
 
 
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 Diseño y construcción de un Reactor UASB a escala banco de laboratorio 
 
 
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A mis padres: 
 
Cuando se trata de agradecer el amor, los valores, el impulso, la motivación, 
el cuidado, la protección, los desvelos, y el sacrificio que han tenido, el nudo 
que me atraviesa la garganta me impide hablar. No obstante les dedico estas 
pequeñas palabras como un pequeño reconocimiento al esfuerzo y apoyo 
incondicional que me han brindado en el transcurso de mi vida. 
No hay día que no agradezca a Dios la oportunidad que me dio de tenerlos a 
ustedes: papá, mamá nombres tan sencillos de pronunciar pero que siempre 
enaltecen de orgullo mi hablar por la fortuna de ser hija suya, les doy toda 
mi gratitud por su apoyo, porque me han ayudado tanto a realizar mis 
sueños, y logra una de mis más grandes metas: mí formación profesional. 
Gracias por ayudarme a salir adelante en la adversidad, por hacer de mí lo 
que hoy soy: gente de provecho, de grandes ideales y noble corazón. No los 
defraudare, los haré sentir orgullosos, y verán que todos sus sacrificios y 
tragos amargos hoy son alegrías y satisfacción, y podrán caminar con la 
frente muy alta, orgullosos de mí. Porque la vida sigue y aún es largo el 
camino que me falta por recorrer, más metas por cumplir, sueños que 
realizar y que no les quede duda que las lograré, que todo lo que me han 
enseñado a lo largo de mi vida lo aplicare para ser mejor. 
 
Que Dios los bendiga y los guarde siempre. Con todo mi corazón. 
 
 
 
 
 
 Diseño y construcción de un Reactor UASB a escala banco de laboratorio 
 
 
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A mi tutora de tesis M. en C. Marjiorie Márquez Vázquez 
y al M. en C. Sergio Alfonso Martínez González: 
 
Les doy las gracias por todo su apoyo, comprensión y tiempo pero principalmente al 
ejemplo digno en su práctica profesional. 
Pero, ante todo, por haberme infundido los más altos valores humanos y brindado 
lo más valioso de la vida: su amistad. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Diseño y construcción de un Reactor UASB a escala banco de laboratorio 
 
 
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Se agradece a la Dirección General de Asuntos del Personal Académico 
(DGAPA) por el proyecto otorgado para la realización del proyecto PAPIME 
PE100310 
“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN REACTOR ANAEROBIO DE FLUJO 
ASCENDENTE COMO APOYO A LA DOCENCIA EN INGENIERÍA CIVIL DE 
LA FES ARAGÓN” 
 
 
 
 Diseño y construcción de un Reactor UASB a escala banco de laboratorio 
 
 
5 
ÍNDICE 
INTRODUCCIÓN .................................................................................................................................. 5 
Capítulo 1. ........................................................................................................................................... 7 
Procesos Anaerobios. ......................................................................................................................... 7 
1.1. Factores que influyen en los procesos de digestión anaerobia. ............................................ 12 
1.1.1. pH .............................................................................................................................. 13 
1.1.2. Alcalinidad ................................................................................................................. 13 
1.1.3. Presencia de sustancias tóxicas ................................................................................. 14 
1.1.4. Tiempo de retención ................................................................................................. 15 
1.1.5. Relación Carbono –Nitrógeno (C/N) ......................................................................... 15 
1.1.6. Nivel de carga ............................................................................................................ 15 
1.1.7. Temperatura .............................................................................................................. 15 
1.1.8. Velocidad de carga orgánica (VCO) ........................................................................... 16 
1.1.9. Nutrientes.................................................................................................................. 17 
1.1.10. Nitrógeno amoniacal ................................................................................................. 17 
1.1.11. Sulfatos y sulfuros ..................................................................................................... 18 
1.1.12. Fracción de material orgánico no disuelto ................................................................ 18 
1.2. Producción de metano ...................................................................................................... 19 
1.3. Tipos de reactores anaerobios .......................................................................................... 20 
1.3.1. Reactores con la biomasa en libre suspensión ......................................................... 21 
1.3.2. Reactores con la biomasa unida a un soporte .......................................................... 26 
1.3.3. Clasificación Generacional. ............................................................................................. 29 
CAPÍTULO 2 ....................................................................................................................................... 34 
REACTOR ANAEROBIO DE FLUJO ASCENDENTE (RAFA) A ESCALA BANCO DE LABORATORIO ...... 34 
2.1. Reactores Anaerobios de Flujo Ascendente (RAFA o UASB). ................................................ 34 
2.1.1. UASB aplicaciones. .......................................................................................................... 37 
2.2. Diseño de UASB a escala banco de laboratorio. .................................................................... 38 
2.2.1. Dimensionamiento del reactor. ...................................................................................... 39 
2.1.2 Separador (GLS) Gas – Líquido – Sólido...........................................................................41 
2.3. Construcción del Reactor Anaerobio de Flujo Ascendente (RAFA) ........................................ 44 
2.3.1. Campana de separación GLS y deflectores. .................................................................... 45 
2.3.2. Afluente, efluente tratado y puertos de muestreo. ........................................................ 46 
 Diseño y construcción de un Reactor UASB a escala banco de laboratorio 
 
 
6 
2.3.3. Temperatura del reactor. ................................................................................................ 48 
2.3.4. Ensamblado del reactor. ................................................................................................. 48 
2.3.5. Lodo granular. ................................................................................................................. 50 
2.3.6. Agua residual Sintética. ................................................................................................... 51 
CAPÍTULO 3 ....................................................................................................................................... 55 
RESULTADOS ..................................................................................................................................... 55 
3.1. Dimensiones del Reactor y parámetros de operación. .......................................................... 55 
Volumen del reactor: ................................................................................................................ 55 
Área del reactor: ....................................................................................................................... 56 
Altura efectiva del reactor: ....................................................................................................... 56 
Flujo másico:.............................................................................................................................. 56 
Carga hidráulica: ........................................................................................................................ 56 
Velocidad de flujo en la campana: ............................................................................................ 57 
3.2. Diseño de la campana GLS. .................................................................................................... 59 
Área de abertura: ...................................................................................................................... 59 
Área de sección transversal de la campana: ............................................................................. 59 
Donde RC es el radio mayor de la campana. ............................................................................. 59 
Ancho de la abertura: ................................................................................................................ 59 
Ángulo de inclinación de la campana: ....................................................................................... 60 
Altura de la campana: ............................................................................................................... 60 
Traslapo: .................................................................................................................................... 60 
Ancho de los deflectores: .......................................................................................................... 60 
Longitud de los deflectores: ...................................................................................................... 61 
3.3. Práctica de laboratorio. .......................................................................................................... 63 
Determinación de la estabilidad y eficiencia del proceso de tratamiento de un RAFA. ........... 63 
Primera parte. ........................................................................................................................... 63 
Segunda parte. .......................................................................................................................... 65 
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ........................................................................................... 68 
Conclusiones. ................................................................................................................................ 68 
Recomendaciones ......................................................................................................................... 69 
REFERENCIAS .................................................................................................................................... 71 
Referencias de la imágenes ........................................................................................................... 73 
 Diseño y construcción de un Reactor UASB a escala banco de laboratorio 
 
 
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ÍNDICE DE FIGURAS 
1.1. Productos finales de la digestión biológica ................................................................................. 8 
1.2. Digestión anaerobia ................................................................................................................... 12 
1.3. Degradación de la materia orgánica.......................................................................................... 20 
1.4. Reactor de Mezcla completa (Layne, 2012) ............................................................................. 22 
1.5. Reactor de contacto (2013) .............................................................................................. 23 
1.6. UASB (2013) .................................................................................................................... 24 
1.7. ABR (2013) ...................................................................................................................... 25 
1.8. Filtro anaerobio (2012) .................................................................................................... 27 
1.9. EB (2013) ......................................................................................................................... 28 
1.10. Reactor de Mezcla completa sin recirculación (Biodisol, 2012) ..................................... 29 
1.11. Tanque séptico (Naturaltec, 2013) .............................................................................. 30 
1.12. Tanque Imhoff (UCV Lima Perú, 2013) ........................................................................ 31 
1.13. Laguna anaerobia (Depuranatura, 2013) ..................................................................... 31 
1.14. Biodigestor (Biodisol,2013) ......................................................................................... 32 
2.1. Pellets o lodos anaerobios de un RAFA .............................................................................. 35 
2.2. Reactor UASB ................................................................................................................... 36 
2.3. Tuberías de acrílico para el reactor .................................................................................... 44 
2.4. Tapas de nylon superior e inferior ..................................................................................... 45 
2.5. Separador GLS .................................................................................................................. 46 
2.6. Deflectores ....................................................................................................................... 46 
2.7. Válvulas de salida ............................................................................................................. 47 
2.8. Puntos de muestreo en la pared del reactor ...................................................................... 48 
2.9. Determinación del tiempo de calentamiento para alcanzar la temperatura de trabajo ....... 49 
2.10. Acondicionamiento del mueble donde se colocó el RAFA............................................. 49 
2.11. RAFA instalado ..................................................................................................................... 50 
3.1. Plano del reactor UASB ............................................................................................... 58 
3.2. Plano de Campana GLS ................................................................................................ 62 
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ÍNDICE DE TABLAS 
2.1. Reactores anaerobios con tecnología UNAM. (Noyola, 1999) ................................................ 37 
2.2. Compuestos orgánicos presentes en aguas residuales domésticas en valores porcentuales 
(Torres et. al, 1996. Modificada por los autores) ........................................................................... 52 
2.3. Composición del sustrato sintético propuesto por Torres et. al, (1996) para preparar agua 
residual sintética .............................................................................................................................. 52 
2.4. Composición del sustrato sintético propuesto por la Universidad de Valencia España (2000) 
para preparar agua residual sintética .............................................................................................. 53 
2.5. Composición del sustrato sintético propuesto por la Norma alemana DIN 38412 (2005) para 
preparar agua residual sintética ...................................................................................................... 54 
2.6. Composición del sustrato sintético propuesto por la Universidad Antonio Nariño, Bogotá 
Colombia (2011) para preparar agua residual sintética .................................................................. 54 
3.1. Variables conocidas parámetros de diseño .............................................................................. 55 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Diseño y construcción de un Reactor UASB a escala banco de laboratorio 
 
 
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INTRODUCCIÓN 
 
 
 
La escasez del agua en extensas zonas del país y el alto costo de desarrollo de nuevas 
fuentes de suministro de la misma hacen obligatorio el considerar la posibilidad de 
renovar y recuperar aguas residuales tratadas para satisfacer la gran demanda del vital 
líquido en la agricultura, la industria, los municipios y en la regeneración de fuentes de 
suministro, entre otros. 
La sociedad necesita restaurar la calidad del agua usada y descargada, para la protección 
del ambiente. Las posibilidades para encontrar tratamientos económicos y prácticos 
deben ser tomadas en cuenta, en particular los tratamientos biológicos, por la capacidad 
de biodegradar los compuestos contaminantes a compuestos más sencillos. Dentro del 
cual el tratamiento anaerobio es el que más ventajas tiene. 
En el presente trabajo se plantean las ventajas del uso de reactores UASB (Upflow 
Anaerobic Sludge Blanket) para el tratamiento de aguas residuales. También se evalúa la 
digestión anaerobia como método eficiente para la biodegradación de aguas residuales y 
para la obtención de biogás como una forma de energía renovable. 
En los últimos años se han desarrollado numerosos procesos para aguas residuales con 
alto contenido de materia orgánica y residuos, uno de dichos procesos es el tratamiento 
anaerobio. Siendo uno de los proceso más antiguos empleados en la estabilización de la 
materia orgánica y sólidos biológicos. Algunas de las ventajas del tratamiento anaerobio 
sobre el aerobio reside en bajos costos de servicio, debido a que no se emplean equipos 
de aireación, tienen un coeficiente de producción de biomasa inferior que los sistemas 
aerobios, por lo tanto una menor generación de lodos al operar cargas orgánicas 
superiores que para el caso de los procesos aerobios, lo que lleva a reactores más 
pequeños y por último en la producción de metano como potencial ventaja debido a su 
valor como combustible. Las ventajas del tratamiento anaerobio son principalmente el 
sistema complejo biológico, la regeneración lenta de la biomasa después de la agitación, 
la falta de eliminación de los nutrientes como nitrógeno y fósforo y la necesidad del 
posterior tratamiento adicional del efluente, que sale del reactor. 
La digestión anaerobia es un proceso microbiológico complejo que se realiza en ausencia 
de oxígeno, donde la materia orgánica es transformada a biomasa y compuestos 
 Diseño y construcción de un Reactor UASB a escala banco de laboratorio 
 
 
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orgánicos, la mayoría de ellos volátiles. Aunque es un proceso natural, sólo en los últimos 
años ha llegado a ser una tecnología competitiva en comparación con otras alternativas. 
Esto ha sido posible gracias a la implementación de sistemas que separan el tiempo de 
retención hidráulico (TRH), del tiempo de retención celular o tiempo de retención de 
sólidos (TRC o TRS), los cuales han sido denominados reactores de alta tasa. Durante 
este proceso también se obtiene un gas combustible (biogás) y lodos con propiedades 
adecuadas para ser usados como bioabonos. 
La eliminación de de materia orgánica y de nutrientes por medio de la oxidación biológica 
se considera la técnica de depuración de aguas residuales más viable desde el punto de 
vista económico. En la depuración actúa un ecosistema microbiano muy complejo, que 
lleva a cabo una degradación consecuencial de la materia orgánica seguida de un 
proceso de nitrificación, desnitrificación y de eliminación de fósforo. Además, para que 
todos estos subprocesos se puedan llevar a cabo, se deben cumplir una serie de 
requisitos: crecimiento efectivo de la biomasa, “baja” demanda química de oxígeno 
(DQO), un alto contenido de oxígeno disuelto y un elevado tiempo de retención de lodo 
para la nitrificación. 
Esta tesis tuvo como objetivo valorar las ventajas del empleo de reactores UASB en el 
tratamiento de aguas residuales, estableciendo estrategias que permitan la asimilación de 
esta tecnología y su explotación eficiente. Por otro lado, se plantea el diseño y 
construcción de un modelo a escala banco de laboratorio que pueda emplearse 
posteriormente por estudiantes de la carrera de ingeniería Civil que cursen materias de la 
rama Ambiental establecidas en el plan de estudios y así colaborar con la mejora del 
proceso enseñanza-aprendizaje de esos sistemas. Por ello, en el capítulo de resultados, 
se encuentra una práctica de laboratorio con base en el reactor construido a lo largo de 
este trabajo. 
 
 
 
 
 
 
 
 Diseño y construcción de un Reactor UASB a escala banco de laboratorio 
 
 
7 
 
Capítulo 1. 
 
Procesos Anaerobios. 
 
 
El desarrollo de tecnologías basadas en microorganismos ha proporcionado excelentes 
procesos para la degradación de compuestos fácilmente biodegradables, ya sea en 
condiciones aerobias o anaerobias. Estos procesos son menos costosos por que las 
reacciones de degradación, medidas por la actividad enzimática de los microorganismos, 
se producen a grandes velocidades y a temperatura ambiente. (Catarina, 2013). 
En el campo del desarrollo de tecnología apropiada referente al tratamiento biológico de 
aguas residuales, han venido popularizándose los procesos de tratamiento anaerobio ya 
que pueden utilizarse sin importar la procedencia del desecho además de las ventajas 
que tiene sobre otros procesos biológicos. 
El tratamiento biológico tiene como objetivo principal eliminar la materia orgánica disuelta. 
Para ello se emplean millones de organismos microscópicos (bacterias) cuyo trabajo es 
comerse (degradar) la materia orgánica para transformarla en más microorganismos y en 
sustancias más sencillas, tales como bióxido de carbono (CO2), metano (CH4), nitrógeno 
amoniacal (NH3), nitratos (NO3-) y agua (H2O). Para ello, es importante que la materia 
orgánica llegue en un tamaño tal que permita la asimilación rápida porparte de estos 
microorganismos. 
Con base en su afinidad con el oxígeno las bacterias son aerobias o anaerobias. Las que 
requieren un ambiente con oxígeno molecular (O2) para desarrollarse, se denominan 
aerobias; las bacterias que proliferan en un ambiente carente de oxígeno son anaerobias. 
Existen bacterias que pueden desarrollarse en ambientes aerobios o anaerobios; éstas se 
conocen como facultativas. 
Las bacterias al consumir la materia orgánica, independientemente de su afinidad por el 
oxígeno, la transforman. Como producto de la transformación hay generación de nuevas 
células y otras sustancias antes mencionadas. 
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Figura 1.1. Productos finales de la digestión biológica. 
 
Este comportamiento es quizá el factor más importante para definir las características de 
los sistemas de tratamiento. Las bacterias aerobias van a obtener como producto principal 
nuevas células y el agua tratada contendrá muy poca materia disuelta. Por su parte, las 
bacterias anaerobias dirigen la mayor parte de su actividad al generar gases (metano y 
bióxido de carbono) y en menor grado células nuevas; el agua tratada por la vía anaerobia 
es rica en nitrógeno amoniacal. 
En esencia, el tratamiento biológico es una cadena alimenticia que se lleva a cabo dentro 
de un reactor: las bacterias consumen la materia orgánica presente en el agua residual, la 
mayor parte la aprovechan para su crecimiento y reproducción y el resto lo transforman en 
sustancias inorgánicas tal como bióxido de carbono (CO2) y nitrógeno amoniacal NH3). 
Una vez transformada la materia orgánica en biomasa, es necesario separarla del agua, 
de lo contrario, para efectos prácticos, no ha habido tratamiento. La separación de la 
biomasa se hace por efecto de la gravedad: en los sistemas aerobios es en los 
sedimentadores secundarios; en los procesos anaerobios, generalmente, la separación 
ocurre dentro del mismo reactor, ya que la producción de biomasa es mucho más limitada 
y generalmente está adherida a un soporte, por lo mismo, el arrastre de biomasa activa no 
es significativo. Además, es frecuente que a un reactor anaerobio le siga un reactor 
aerobio que retiene la biomasa arrastrada fuera del primero. 
Materia orgánica
100%
Bacterias 
anaerobias
CH4 + CO2 (90%)
Nuevas células 
(10%)
Efluente rico en 
NH3
Bacterias 
aerobias
CO2 + H2O
Energía (35%)
Nuevas células 
(65%)
 Diseño y construcción de un Reactor UASB a escala banco de laboratorio 
 
 
9 
Además de la vía metabólica de los microorganismos (aerobia o anaerobia), los reactores 
biológicos se clasifican con base en la forma en que la población microbiana se encuentra 
dentro del reactor. Se conoce como biomasa suspendida a aquellos reactores que no 
utilizan un medio de soporte y los microorganismos forman agregados conocidos como 
flóculos. Cuando el reactor cuenta con un medio, ya sea natural o sintético, que sirve de 
soporte para que se desarrolle la comunidad microbiana en forma de “lama” o película, se 
dice que es un reactor de biomasa fija. 
La digestión anaerobia es el proceso biológico mediante el cual la materia orgánica, se 
transforma por la actividad metabólica bacteriana en ausencia de oxígeno libre, 
obteniéndose como producto final: metano y un incremento de la población microbiana. 
Es uno de los procesos más idóneos para la reducción de emisiones de efecto 
invernadero, el aprovechamiento energético de los residuos orgánicos y el mantenimiento 
y mejora del valor fertilizante de los productos tratados. 
Los beneficios asociados a la digestión anaerobia son: 
 Producción de energía renovable si el gas se aprovecha energéticamente y 
sustituye a una fuente de energía fósil. 
 Reducción significativa de malos olores. 
 Reducción de emisiones de gases de efecto invernadero derivadas de reducción 
de emisiones de CH4, y reducción de CO2 ahorrado por sustitución de energía 
fósil. 
 Proceso simple y sencillo de operar. 
 Aplicable en pequeña, mediana y grande escala, para residuos industriales y 
domésticos. 
 Presenta una baja producción de lodos (estabilizados). 
 Bajo o nulo consumo de energía (eventualmente bombeo). 
 Son instalaciones compactas que demandan poco espacio. 
 Permite la aplicación de elevadas cargas orgánicas (superiores a 30kgDQO/m3d). 
 El lodo anaerobio puede permanecer sin alimento mucho tiempo. 
 El arranque de los reactores es rápido con una apropiada inoculación. 
 La biomasa puede adaptarse a diversos tipos de aguas residuales con bajo 
contenido de compuestos tóxicos. 
Por otro lado las desventajas son: 
 Emisión de olores desagradables (H2S). 
 Sensibilidad a bajas temperaturas, al cambio brusco de pH y a la presencia de 
oxígeno disuelto. 
 Lento proceso de arranque y por ello largos períodos para estabilización 
(inóculos). Complejidad en los consorcios bacterianos. 
 Calidad de efluente inferior a los procesos aerobios. Por ello se requiere un 
postratamiento para cumplir con los niveles de calidad usualmente exigidos. 
 Diseño y construcción de un Reactor UASB a escala banco de laboratorio 
 
 
10 
 La agresividad de algunos subproductos que demandan atención en la protección 
de las estructuras (corrosión). 
 
Existen dos tipos de sistemas de digestión anaerobia: 
Digestión convencional: La digestión convencional se lleva a cabo en procesos de un 
paso o de dos pasos. El lodo es calentado normalmente dentro del tanque o con 
intercambio de calor localizado fuera del tanque. En el proceso de un solo paso, la 
digestión, el espesamiento y la formación de material flotante se lleva a cabo por 
separado dentro del tanque. Operacionalmente, el lodo crudo se alimenta en la zona de 
digestión activa y el gas producido se remueve del tanque por la parte superior. Mientras 
el gas sube a la superficie, éste eleva consigo partículas de lodos y otros materiales, tales 
como grasas y aceites, formando una capa de nata. Como resultado de la digestión, el 
lodo se mineraliza (aumentando el porcentaje de lodos fijos), y por gravedad éste se 
espesa; lo que causa la formación de una capa de material flotante sobre la zona de 
digestión de lodo. El volumen del tanque se utiliza únicamente a un 50% debido a la 
estratificación y falta de mezcla. Por lo anterior, la digestión convencional se lleva a cabo 
en un proceso de dos pasos. En el proceso de dos pasos, el primer tanque se usa para la 
digestión; es calentado y equipado con unidades mezcladoras. El segundo tanque se usa 
para el almacenamiento y concentración del lodo digerido y para la formación de un 
sobrenadante relativamente claro. En algunos casos la segunda unidad puede ser un 
tanque abierto o una laguna de lodos. 
Digestión de alta taza: Ésta difiere del proceso anterior en que la carga de sólidos es 
mayor. El lodo se mezcla íntimamente por la recirculación del gas, bombeo, o por 
mezcladores mecánicos y se calienta para obtener una capacidad mayor que en el 
proceso anterior, y debe de llegar hasta el fondo del tanque. El tanque es más profundo. 
El lodo deberá bombearse continuamente o en ciclos de 30 minutos a 2 horas. El lodo 
digerido tiene una concentración de aproximadamente la mitad del afluente ya que no 
existe una separación del lodo. 
Actualmente, el tratamiento biológico de las aguas residuales no se concibe y practica 
como un solo proceso, sino una combinación de operaciones y procesos interrelacionados 
que pueden diferir en distribución espacial, proceder a diferentes velocidades en el tiempo 
y llevarse a cabo por masas biológicas que sean disímbolas en estructura. 
Primera cronológicamente, y en importancia, es la transferencia de las impurezas desde 
las aguas residuales a la película, flóculo, u otras formas de las biomasas por contacto 
interfacial, así como las adsorciones y absorciones asociadas. Esta operación es rápida y 
efectivasi la interfaz existente entre el líquido y la biomasa es grande; si entre una y otra 
etapa, el gradiente de concentración de la substancias que se van a remover es 
pronunciado; y si las películas obstructivas líquidas y las concentraciones de substancias 
interferentes no se desarrollan en la interfaz. Por consiguiente, es importante tanto la 
calidad como la extensión del contacto. 
 Diseño y construcción de un Reactor UASB a escala banco de laboratorio 
 
 
11 
Segunda cronológicamente, e igualmente importante, es la preservación de esta calidad 
del contacto. Esta se logra primordialmente por la oxidación de la materia orgánica y la 
síntesis de células nuevas. 
La digestión anaerobia es un proceso muy complejo tanto por el número de reacciones 
bioquímicas a que tienen lugar como por la cantidad de microorganismos involucrados en 
ellos. El proceso de descomposición anaerobia de la materia orgánica se divide en cuatro 
fases: 
La primera fase es la hidrólisis de partículas y moléculas complejas (proteínas, hidratos de 
carbono y lípidos) que son hidrolizadas por enzimas extracelulares producidas por los 
microorganismos acidogénicos. Como resultado se producen compuestos solubles más 
sencillos (aminoácidos, azúcares y ácidos grasos de cadena larga) que son fermentados 
por las bacterias acidogénicas dando lugar, principalmente, a ácidos grasos de cadena 
corta, alcoholes, hidrógeno, dióxido de carbono y otros productos intermedios. Los ácidos 
grasos de cadena corta son transformados en ácido acético, hidrógeno y dióxido de 
carbono, mediante la acción de los microorganismos metanogénicos produciendo metano 
a partir de ácido acético, H2 y CO2. 
La etapa hidrolítica puede ser el proceso limitante de la velocidad global del proceso 
sobre todo cuando se tratan residuos con alto contenido en sólidos. Además, la hidrólisis 
depende de la temperatura de operación, del tiempo de retención hidráulico, de la 
composición del sustrato (porcentaje de lignina, carbohidratos, proteínas y grasas), del 
tamaño de partículas, del pH, de la concentración de NH4+ y de la concentración de los 
productos de la hidrólisis. 
En la segunda fase, llamada acidogénesis, los productos solubles son convertidos en 
ácidos grasos volátiles, CO2, H2, H2S, etc., por la acción de las bacterias fermentativas 
acidogénicas. 
En la Acetogénesis, tercera fase del proceso, los productos generados en la etapa 
anterior son transformados en sustrato por las bacterias metanogénicas. 
A presiones parciales de H2 bajas (del orden de 10-4 – 10-5 atm), estas reacciones pasan a 
ser termodinámicamente favorables y la variación de energía libre es suficiente para 
permitir la síntesis y el crecimiento bacteriano. Por lo tanto, el principal inhibidor de la 
acetogénesis, cuyo depósito provoca la rápida acumulación de sustratos, es el cúmulo de 
hidrógeno molecular. Un tipo especial de microorganismos acetogénicos, son los 
llamados homoacetogénicos. Este tipo de bacterias son capaces de crecer 
heterotróficamente en presencia de azúcares o compuestos monocarbonados (como 
mezcla H2/CO2) produciendo como único producto acetato. Al contrario de las bacterias 
acetogénicas, éstas no producen hidrógeno como resultado de su metabolismo, sino que 
lo consumen como sustrato. El resultado neto del metabolismo homoacetogénico permite 
mantener bajas presiones parciales de hidrógeno y, por lo tanto, permite la actividad de 
las bacterias acidogénicas y acetogénicas. 
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12 
Finalmente se produce metano a partir de acetato (Metanogénesis) con ayuda de las 
bacterias metanogénicas acetoclásticas y de H2S y CO2 por las bacterias metanogénicas 
hidrogenotróficas completando el proceso de la digestión anaerobia. 
Un 70% del metano producido en los reactores anaerobios se forma a partir del acetato a 
pesar que, solo dos géneros de bacterias pueden utilizar el acetato como receptor de 
electrones, mientras que todos los organismos metanogénicos son capaces de utilizar el 
H2 como receptor. 
Cuando hay sulfatos, las bacterias sulfato reductoras compiten por el sustrato con las 
demás y se genera H2S y una baja producción de CH4, surgiendo problemas de malos 
olores e inhibición, a lo antes mencionado se le conoce como Sulfurogénesis. 
 
 
Figura 1.2. Digestión anaerobia 
 
1.1. Factores que influyen en los procesos de digestión anaerobia. 
 
La digestión anaeróbia depende de diversos factores que hay que controlar y hacen 
referencia a condiciones que deben mantenerse o asegurarse para el desarrollo del 
proceso: 
 
• Materia
orgánica
Compuestos
orgánicos
complejos
• (carbohidratos,
proteínas,
lípidos)
Hidrólisis
• Compuestos 
orgánicos simples
• (azucares, 
aminoácidos,etc)
Acidogénesis
• Ácidos 
orgánicos
• (acetato, 
propinato, 
butirato, etc)
Acetogénesis
• Acetato + H2 + 
CO2
Metanogénesis
• CH4 + CO2
Acidogénesis
• H2S + CO2
Digestión anaerobia
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13 
1.1.1. pH 
 
El rango aceptable del trabajo de las bacterias metanogénicas se encuentran entre 6.5 y 
7.5, es decir un medio prácticamente neutro. Esto se mantendrá solo si el biodigestor está 
operando correctamente. 
El pH es una de las variables utilizadas en el diagnóstico de los sistemas anaerobios 
(aunque no se considera una buena variable de control por ser demasiado lenta) ya que 
muchos fenómenos tienen influencia sobre el mismo. Un ejemplo, son las situaciones de 
acidificación de un reactor anaerobio provocadas por el desequilibrio en la producción y 
consumo de ácidos grasos volátiles. La acumulación de éstos provoca un descenso en el 
pH que será más o menos acusada en función de la alcalinidad del medio. 
El pH afecta a los diferentes equilibrios químicos existentes en el medio, pudiendo 
desplazarlos hacia la formación de un determinado componente que tenga influencia en el 
proceso. Este es el caso de los equilibrios ácido-base del amoníaco y del ácido acético: al 
aumentar el pH se favorece la formación de amoníaco que, en elevadas concentraciones, 
es inhibidor del crecimiento microbiano y a pH bajo se genera mayoritariamente la forma 
no ionizada del ácido acético, que inhibe el mecanismo de degradación del propionato. 
 
1.1.2. Alcalinidad 
 
Es una medida de la capacidad tampón del medio. En el rango de pH del proceso de 
digestión anaerobia, el principal equilibrio que controla la alcalinidad es el del dióxido de 
carbono/bicarbonato. Estudios previos han demostrado que valores de alcalinidad del 
bicarbonato por encima de 2500mg/L, aseguran un buen control del pH y una adecuada 
estabilidad del sistema. 
𝛼 =
𝐴𝑙𝑐𝑎𝑙𝑖𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎 𝑝𝐻 5.75
𝐴𝑙𝑐𝑎𝑙𝑖𝑛𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑎 𝑝𝐻 4.3
 
Se propone simplemente determinar la alcalinidad titulando hasta un valor de pH 5.75 
aparte del valor 4.3, ya que en este valor se mide la capacidad amortiguadora de los 
bicarbonatos del sistema respecto a la disociación de todos los ácidos débiles 
involucrados, precisamente los AGV. Cuanto más cercano a la unidad es el valor de a, el 
sistema es más estable y se puede proceder al incremento de carga. (López, et al, 1999) 
 
El nivel de alcalinidad necesario está rara vez disponible en el afluente del agua residual, 
pero puede generarse en algunos casos por la degradación de proteínas y aminoácidos 
(por ejemplo aguas residuales de empacadoras de carnes). Los requerimientos de 
compra de químicos para el control de pH pueden tener un impacto significativo en la 
economía del tratamiento anaerobio. 
 
La relación entre el pH y la alcalinidad está controlada por la química de bicarbonato 
como sigue: 
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14 
 
  
1
32
-
3
COH
HHCO
aK

. . . (1) 
 
Donde: 
 
Kal = primera constante de disociación ácida, la cual es una función de intercambioiónico 
y la temperatura. 
 
La concentración de acido carbónico (HCO-3) se determina usando la ley de Henry (Eq. 
(2-46)) y la presión parcial de CO2 en la atmósfera arriba del agua. 
 
g
T
g p
P
x
H

. . . (2) 
 
Donde: 
 
Xg = es la fracción molar de gas en agua, mol gas/ mol agua. 
 
= 
)(n agua de moles )(n gas moles
)(n gas de (moles
wg
g

 
 
PT = presión total, usualmente 1.0 atm. 
 
H = constante de la ley de Henry, 
)agua de gas/moles moles(
)aire de gas/moles moles(atm
 
 
Pg = fracción molar de gas en el aire moles de gas / moles de aire. 
 
Una vez conocida la concentración de ácido carbónico, la alcalinidad por bicarbonato para 
mantener el pH requerido puede estimarse. 
 
 
1.1.3. Presencia de sustancias tóxicas 
 
Los compuestos tóxicos afectan la digestión, disminuyendo los niveles de metabolismo. 
Las bacterias metanogénicas son generalmente las más sensibles, aunque todos los 
grupos pueden ser afectados. Un nutriente esencial también puede ser tóxico si su 
concentración es muy alta. 
El proceso de digestión anaerobia es inhibido por la presencia de tóxicos en el sistema. 
Estas sustancias pueden ser subproductos de la actividad metabólica de los 
microorganismos anaerobios o pueden formar parte del afluente. Experimentalmente se 
ha comprobado que la magnitud del efecto tóxico de una sustancia puede ser reducida 
significativamente por aclimatación de la población de microorganismos al tóxico. 
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15 
 
1.1.4. Tiempo de retención 
 
Indica el tiempo conveniente que debe dejarse el material dentro del biodigestor, para que 
en las condiciones ambientales del lugar pueda degradarse y hacer lograr la estabilización 
de la biomasa en digestión. 
Es el cociente entre el volumen y el caudal de tratamiento, es decir, el tiempo medio de 
permanencia del afluente en el reactor, sometido a la acción de los microorganismos. 
 
1.1.5. Relación Carbono –Nitrógeno (C/N) 
 
La calidad y cantidad de biogás producido dependerá de la composición del desecho 
utilizado. El carbono y nitrógeno son fuentes principales de alimentación de las bacterias 
formadas de metano. La relación óptima de estos elementos en la materia prima debe ser 
aproximadamente de C/N=30. 
 
1.1.6. Nivel de carga 
 
Se calcula como materia seca total (MS) o materia orgánica que es cargada diariamente 
por metro cúbico de volumen de digestor. Según los requerimientos operacionales el 
contenido de MS no debe exceder el 10% en la mayoría de los casos. 
 
1.1.7. Temperatura 
 
Los tratamientos anaerobios como cualquier tratamiento biológico de las aguas 
residuales, se ve afectado por los cambios de temperatura. 
Se considera uno de los parámetros más importantes, dado que la misma establece el 
tiempo de retención, el tamaño del digestor, la producción de biogás y determina los 
niveles de reacción química y biológica. 
El proceso se lleva a cabo satisfactoriamente en 2 rangos bien definidos, entre 10°C y 
37°C, para la flora de bacterias mesofílicas, entre 55°C a 60°C para el rango termofílico. 
Para que las bacterias trabajen en forma óptima, se requiere mantener la temperatura lo 
más constante posible. 
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16 
Las tasas de crecimiento y reacción aumentan conforme lo hace el rango de temperatura, 
pero también la sensibilidad a algunos inhibidores, como el amoníaco. En el rango 
termofílico se aseguran tasas superiores de destrucción de patógenos. 
Existe un rango de temperatura en el agua residual en el cual la temperatura no afecta 
considerablemente el rendimiento de la depuración de los sistemas. Una vez la 
temperatura se reduce por debajo de los 10°C, entonces el rendimiento se ve seriamente 
afectado. La explicación más frecuente dada para dicho comportamiento es el crecimiento 
nulo de las bacterias responsables de la degradación de las grasas y aceites por debajo 
de los 10°C. En este caso ocurriría un lavado de esta población y una ausencia en la 
remoción de estos compuestos. 
La temperatura del proceso actúa también sobre aspectos físico-químicos del mismo. La 
solubilidad de los gases generados desciende al aumentar la temperatura, favoreciéndose 
a transferencia líquido-gas. Esto supone un efecto positivo para el caso de gases tales 
como NH3, H2 y H2S, dada su toxicidad sobre el crecimiento de los microorganismos 
anaerobios. Una posible desventaja de este fenómeno es que el descenso de la 
solubilidad del CO2 provocaría un aumento del pH, lo que generaría, en lodos de elevada 
concentración de amonio, posibles situaciones de inhibición por NH3. Por otra parte, la 
materia orgánica es más accesible para los microorganismos aumentando así la velocidad 
del proceso. Por último, la viscosidad de sólidos y semisólidos disminuye al aumentar la 
temperatura. 
 
La temperatura de las aguas residuales varía: 
 De acuerdo con la fuente de abastecimiento de agua, así como su 
almacenamiento y distribución. 
 Con el sistema de alcantarillado, separado o combinado. 
 Con la infiltración del agua subterránea. 
 Con la descarga de residuos industriales fríos o calientes en el sistema. 
También es lógico que la temperatura afecte al período inicial o de maduración de las 
unidades de tratamiento biológico, así como a su operación ya establecida. 
 
1.1.8. Velocidad de carga orgánica (VCO) 
 
La VCO u OLR por sus siglas en inglés (Organic Load Rate), es la cantidad de materia 
orgánica introducida por unidad de volumen y tiempo. Valores bajos implican baja 
concentración en el afluente y un elevado tiempo de retención. El incremento de unidades 
de materia orgánica introducida, implica encontrar un valor óptimo técnico/económico para 
cada instalación y residuo a tratar. 
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17 
Muchas variaciones en el flujo del afluente y en la carga orgánica pueden afectar el 
balance entre la fermentación ácida y la metanogénesis. Para los sustratos solubles y 
fácilmente degradables, como los azúcares y los almidones, las reacciones acidogénicas 
pueden ser mucho más rápidas de altas cargas y pueden incrementar las concentraciones 
de ácidos grasos volátiles (COV’s) e hidrógeno y disminuir el pH. Altas concentraciones 
de hidrógeno pueden inhibir la conversión de ácido butírico y propiónico. Los bajos pH 
pueden inhibir la metanogénesis. Debe proveerse una igualación del flujo o capacidad 
adicional para soportar las condiciones pico de flujo y carga. 
 
1.1.9. Nutrientes 
 
Se requiere la presencia de macronutrientes (N, P, S) y micronutrientes (Fe, Zn, etc.) en 
proporciones adecuadas para atender las necesidades de los microorganismos. 
Una de las ventajas de los procesos de digestión anaerobia, frente a los procesos 
aerobios, es su baja necesidad de nutrientes derivada de los bajos índices de producción 
de biomasa que presentan los microorganismos. 
La transferencia de nutrientes es muchas veces más rápida que la oxidación de los 
mismos. Sin embargo, para el mantenimiento de los procesos de tratamiento, la 
conversión de la materia orgánica adsorbida a sólidos sedimentables por oxidación puede 
ser el paso determinante de la velocidad, si no se introduce en su lugar una operación 
alternativa como la coagulación química. 
Dependiendo de las características del sustrato y el valor del tiempo de retención de 
sólidos (TRS), los requerimientos de nutrientes típicos de nitrógeno, fósforo, y azufre 
están en el rango de 10 a 13, 2 a 2.6 y 1 a 2 mg por cada 100 mg de biomasa, 
respectivamente. Los valores de nitrógeno y fósforo son consistentes con los valores de 
esos constituyentes estimados con base en la composición de las células de biomasa. 
Además, para mantener la máxima actividad metanogénica, las concentraciones en fase 
líquida de nitrógeno, fósforo y azufredeben ser del orden de 50, 10 y 5 mg/L, 
respectivamente (Speece, 1996, citado por Metcalf & Eddy, 2003). 
 
1.1.10. Nitrógeno amoniacal 
 
Durante el proceso anaerobio el nitrógeno orgánico es hidrolizado dando lugar a formas 
amoniacales. Aunque el nitrógeno amoniacal es un nutriente importante para el 
crecimiento bacteriano, una concentración excesiva puede limitar su crecimiento. 
El nitrógeno amoniacal es la suma del ión amonio (NH4+) y del amoniaco (NH3). Ambas 
especies se encuentran en equilibrio químico, y la concentración relativa de cada una 
depende del pH, tal y como indica la ecuación de equilibrio: 
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18 
NH4
+ ↔ NH3 + H
+ 
De las dos especies, la que parece inhibir el proceso es el amoníaco libre ya que se ha 
comprobado experimentalmente que el efecto inhibitorio por amonio aumenta a pH 
alcalinos. Además del pH, la cantidad de amoníaco libre depende de la concentración del 
sustrato, de la relación C/N, de la capacidad amortiguadora del medio y de la temperatura 
de digestión. Los residuos que contengan mayores proporciones de proteínas u otros 
compuestos nitrogenados son los que presentan más problemas de inhibición por amonio. 
 
1.1.11. Sulfatos y sulfuros 
 
La presencia de elevadas concentraciones de sulfatos en el sustrato puede producir la 
inhibición del proceso anaerobio, especialmente de la Metanogénesis. En presencia de 
sulfatos, las bacterias metanogénicas compiten con las sulfato-reductoras por los mismos 
sustratos (acetato e hidrógeno), mostrando éstas últimas ventajas termodinámicas y 
cinéticas sobre las primeras. El resultado de esta competición determinará la proporción 
de sulfhídrico y metano en el biogás producido. 
El sulfato es también un inhibidor para muchos grupos bacterianos. En general, los 
metanogénicos son más sensibles que los acidogénicos y acetogénicos, comenzando a 
ser tóxica una concentración de 50mg/L si los microorganismos metanogénicos no están 
aclimatados a los sulfuros. Parece que la forma tóxica es la no ionizada, por lo que la 
inhibición se favorece a pH bajos y a bajas temperaturas. 
Por tanto, la inhibición tiene dos etapas, la primera debida a la competición por el sustrato 
entre los microorganismos metanogénicos y sulfato-reductores y la segunda es una 
inhibición directa del crecimiento metanogénico por presencia de sulfuros solubles. 
 
1.1.12. Fracción de material orgánico no disuelto 
 
La composición del agua en términos de sus componentes disueltos y particulados afecta 
la selección del tiempo de reactor anaerobio y su diseño. Las aguas residuales con altos 
contenidos de sólidos se tratan mejor con procesos de crecimiento suspendido que de 
crecimiento adherido. Mientras más grande sea la conversión de material orgánico 
particulado, el TRS crecerá para poder llevar a cabo la hidrólisis de los mismos, lo cual 
será una limitante en comparación con la fermentación ácida y la metanogénesis en el 
tratamiento anaerobio. 
 
 
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19 
1.2. Producción de metano 
 
El biogás es el producto gaseoso de la digestión anaerobia de compuestos orgánicos. Su 
composición depende del sustrato digerido y del tipo de tecnología utilizada. 
Debido a su alto contenido de metano, tiene un poder calorífico mayor que el poder 
calorífico del gas natural, por lo que es un combustible ideal. 
Para un sistema anaerobio, la DQO (Demanda Química de Oxígeno) puede considerarse 
un parámetro conservativo, es decir, la suma de las DQO de entrada debe ser igual a la 
suma de las DQO de salida: 
DQOafluente = DQOefluente + DQObiogás (1) 
 
Si se considera un biogás formado exclusivamente por CH4 y CO2, y teniendo en cuenta 
que la DQO del CO2 es nula, la DQO eliminada en el residuo se correspondería con la 
DQO obtenida en forma de metano, lo cual significa 2.857Kg DQO por m3 CH4 ó 0.35m3 
de CH4 por Kg de DQO eliminada, a P=1atm y T=°C, ó 0.38m3 de CH4 a P=1atm y 25°C. 
Atendiendo a la potencia calorífica del metano, estos valores corresponderían 
aproximadamente a 3.5Kw·h/Kg DQO eliminada, en unidades de energía primaria. Lo 
confiere a los sistemas anaerobios una clara ventaja frente a los sistemas aerobios de 
tratamiento de residuos orgánicos y aguas residuales, para los cuales el consumo de 
energía para transferir oxígeno se encuentra alrededor de 1Kw·h/Kg O2 consumido. 
Las variaciones sobre los valores anteriores pueden deberse a posibles acumulaciones en 
el reactor, a la producción de otros gases (H2, H2S,…), o a que la DQO medida no sea tan 
sólo debida al carbono oxidable. 
El biogás producido en digestión anaerobia puede ser utilizado en: 
 Una caldera para generación de calor o electricidad. 
 En motores o turbinas para generar electricidad. 
 En pilas de combustible, previa limpieza de H2S y otros contaminantes de las 
membranas. 
 Purificarlo y añadir los aditivos necesarios para introducirlo en una red de 
transporte de gas natural. 
La degradación de la materia orgánica hasta la formación de biogás, constituye un 
elemento decisivo en los ciclos naturales de carbono, nitrógeno y otros elementos 
indispensables en los procesos vitales. El proceso, sumamente complejo, depende de un 
amplio grupo de microorganismos, que a través de una serie de etapas combinadas llevan 
a la producción de biogás. 
 Diseño y construcción de un Reactor UASB a escala banco de laboratorio 
 
 
20 
 
Figura 1.3. Degradación de la materia orgánica. 
 
La producción de metano o biogás que se obtendrá de un residuo determinado depende 
del potencial (producción máxima), del tiempo de retención, de la velocidad de carga 
orgánica, de la temperatura de operación y de la presencia de inhibidores. 
 
 
1.3. Tipos de reactores anaerobios 
 
Los reactores biológicos utilizados para el tratamiento de aguas residuales pueden ser 
divididos en dos grandes grupos en base a tipo de crecimiento microbiano: 
1. De lecho fijo, formando biopelículas. 
2. De crecimiento libre o suspendido. 
En los primeros la biomasa está constituida por bacterias formando una película sobre un 
soporte inerte, mientras que los segundos dependen de que los microorganismos formen 
gránulos o flóculos en el reactor. Las bacterias que crecen en suspensión deben de 
formar estructuras que las permitan permanecer en el reactor y no ser lavadas con el 
efluente, y la eficiencia del proceso depende en buena parte de la capacidad del inóculo 
(lodos/residuos) para formarlas. 
Materia 
orgánica 
compleja
móleculas 
simples
Ácidos 
orgánicos
Biogás 
(CH4 , CO2)
 Diseño y construcción de un Reactor UASB a escala banco de laboratorio 
 
 
21 
Los sistemas de crecimiento fijo están definidos como aquellos que proporcionan a los 
microorganismos un soporte sobre el cual pueden adherirse y formar una película 
biológica. 
 
1.3.1. Reactores con la biomasa en libre suspensión 
 
Son de crecimiento disperso, en los cuales: los microorganismos se adhieren y agregan 
unos a otros formando flóculos o gránulos que se mantienen suspendidos en el reactor 
debido a las condiciones hidráulicas. 
Los reactores con la biomasa en libre suspensión son, en esencia, separadores de sólidos 
suspendidos. Una vez separados los sólidos, se depositan en el fondo del tanque, y ahí 
son degradados en un ambiente anaerobio. No hay interacción real entre la biomasa 
activa (lodo) y el agua residual, por lo mismo, la remoción de la materia disuelta es muy 
baja o nula.Se tienen los siguientes: 
 Reactor de mezcla completa (CSTR). 
 Reactor de contacto (ACP). 
 Reactor anaerobio de flujo ascendente (UASB o RAFA). 
 Reactor anaerobio por lotes en serie (ASBR). 
 Reactor anaerobio con deflectores (ABR). 
 
1.3.1.1. Reactor de mezcla completa (CSTR) 
 
Es el digestor anaerobio más simple. Es un cultivo microbiano continuo, con unaentrada 
continua de medio y una salida continua de residuos (agua tratada) y exceso de biomasa. 
Su proceso es el más estable. 
Consiste en un reactor en el que se mantiene una distribución uniforme de 
concentraciones, tanto de substrato como de microorganismos. Esto se consigue 
mediante un sistema de agitación. Esta pude ser mecánica (agitador de hélice o palas, de 
eje vertical u horizontal) o neumática (recirculación de biogás a presión), y nunca violenta. 
Esta tipología de reactor no ofrece problemas de diseño y es el más utilizado para 
residuos. 
Comparado con otros reactores, el tiempo de retención necesario es alto, debido a que la 
concentración de cualquier especie, que se mantiene en el reactor en régimen 
estacionario, es la misma que la que se pretende en el efluente, si la velocidad de 
reacción depende de la concentración, como es el caso de los procesos biológicos, la 
velocidad será baja, y la forma de compensarla es aumentando el tiempo de reacción. 
 
 Diseño y construcción de un Reactor UASB a escala banco de laboratorio 
 
 
22 
 
Figura 1.4. Reactor de Mezcla completa. Fuente: Layne, 2012 
 
 
1.3.1.2. Reactor de contacto (ACP) 
 
Este sistema tiene el nombre de reactor anaerobio de contacto y sería equivalente al 
sistema de lodos activados aerobios para el tratamiento de aguas residuales. 
Se compone de dos operaciones o fases: una operación de contacto donde el agua 
residual cruda se mezcla completamente con un cultivo de lodo anaerobio desarrollado 
previamente, y una operación de separación donde las partículas del lodo activado se 
separan y son recirculadas a la unidad de contacto. 
Al regular la recirculación es posible conseguir tiempos de retención hidráulica más bajos 
que en un reactor simple de mezcla completa. Esto es a costa de aumentar el tiempo de 
retención de los microorganismos, gracias a su confinamiento en el sistema mediante la 
separación en el decantador y recirculación. Debido a la necesaria separación de 
microorganismos en el decantador, este sistema sólo es aplicable en aguas residuales de 
alta carga orgánica (aguas residuales cerveceras, azucareras, etc.), para las que sea 
posible una separación de fases líquido-sólido. Antes del decantador se debe disponer de 
un sistema de desgasificación, sin el cual la decantación se pude ver impedida. 
 Diseño y construcción de un Reactor UASB a escala banco de laboratorio 
 
 
23 
 
Figura 1.5. Reactor de contacto, 2013. 
 
1.3.1.3. Reactor anaerobio de flujo ascendente (UASB) 
 
El UASB representa la transición entre los sistemas anaerobios de biomasa en libre 
suspensión y los de lecho fijo, si bien no cuenta con un medio de soporte para el 
desarrollo de la biomasa, se puede considerar de biomasa fija por los flóculos o pellets tan 
densos que forma. 
La innovación técnica de este tipo de reactores reside en un dispositivo situado en la parte 
superior del reactor (separador de tres fases) que permite separar internamente la 
biomasa, el efluente tratado y el biogás. Con ello se consigue acumular grandes 
cantidades de biomasa que adopta la estructura de gránulo compacto con una elevada 
capacidad de sedimentación. Es el más extendido a escala industrial. 
En este tipo de sistemas, las bacterias se desarrollan como una masa floculante en un 
flujo ascendente. Las bacterias son retenidas por su propia masa y por pequeñas 
partículas presentes en la parte inferior del reactor, mientras que el gas y el efluente 
escapan por la parte superior del mismo. Como la disociación de la biomasa bacteriana 
ocurre en cierto grado, parte de los organismos se pierden por el efluente. Sin embargo, y 
aunque el TRH es bajo, el TRS es lo suficientemente prolongado para que se desarrolle 
una densa masa de microorganismos metanogénicos. 
El reactor UASB se utiliza para remoción de materia disuelta; es de flujo ascendente y en 
la parte superior está equipado con un sistema de separación gas – líquido – sólido que 
evita la salida de sólidos suspendidos en el efluente y favorece la evacuación del gas. En 
este reactor es muy importante la distribución del agua residual afluente ya que una mala 
repartición puede provocar zonas muertas en el lecho de lodos. La cantidad de agua que 
 Diseño y construcción de un Reactor UASB a escala banco de laboratorio 
 
 
24 
se aplique debe ser tal que favorezca la formación de los gránulos pero que evite el 
arrastre de la biomasa. Pueden soportar cargas orgánicas hasta de 30kg/m3d. 
 
Figura 1.6. UASB, 2013 
 
1.3.1.4. Reactor anaerobio por lotes en serie (ASBR) 
 
Tanto la alimentación como la decantación tienen lugar por lotes en series discontinuas en 
un único reactor. 
El reactor ASBR a diferencia de otros reactores, funciona por ciclos y no en flujo continuo. 
Cada ciclo de operación se divide en cuatro etapas: (1) Alimentación: el afluente es 
alimentado al reactor; (2) Reacción: etapa de tiempo variable en donde ocurre en mayor 
grado la degradación de la materia orgánica; (3) Sedimentación: se detiene la agitación y 
la biomasa decanta, separándose el efluente clarificado; (4) Descarga: el efluente 
depurado (clarificado) es retirado del reactor. 
La flexibilidad de su operación posibilita la adaptación de estos sistemas para la 
degradación de diferentes sustratos, tales como efluentes diluidos, residuos sólidos y 
semisólidos. 
 
 
 
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25 
1.3.1.5. Reactor anaerobio con deflectores (ABR) 
 
Conceptualmente se podría considerar como una serie de reactores UASB conectados en 
serie. Está formado por un único tanque con una serie de deflectores o paneles internos 
verticales que fuerzan el paso del agua entre ellos. 
Un reactor anaerobio con deflectores es una fosa séptica mejorada debido a la serie de 
deflectores por debajo de los cuales se fuerza el flujo de las aguas residuales. El mayor 
tiempo de contacto con la biomasa activa (lodos) resulta en un tratamiento mejorado. 
La mayoría de los sólidos de sedimentación se eliminan en la cámara de sedimentación 
en el inicio del ABR, que normalmente representa el 50% del volumen total. Al irse 
acumulando los lodos, se requiere el desazolve cada 2 o 3 años. Los parámetros críticos 
de diseño incluyen un tiempo de retención hidráulica (TRH) entre 48 y 72 horas, velocidad 
de flujo ascendente de las aguas residuales de menos de 0.6m/h y el número de cámaras 
de flujo ascendente de 2 a 3. 
 
Figura 1.7. ABR, 2013. 
 
 
 
 
 Diseño y construcción de un Reactor UASB a escala banco de laboratorio 
 
 
26 
1.3.2. Reactores con la biomasa unida a un soporte 
 
Son de crecimiento adherido: y las bacterias se fijan a un medio de soporte formado por 
un material inerte como arena, piedra, plástico, etc. 
Los reactores de biomasa fija están destinados a la remoción de la materia disuelta, 
aunque pueden también retener y tratar materia suspendida. Dado que la biomasa 
anaerobia puede flotar muy fácilmente por la generación de gases que se pueden adherir 
como microburbujas a los flóculos, el desarrollo de sistemas de biomasa adherida a un 
soporte minimiza la pérdida de materia activa y con ello se logran mayores eficiencias de 
remoción de materia orgánica y la disminución del tamaño de los reactores. 
Al favorecer el desarrollo y retención de gran cantidad de microorganismos en el reactor, 
se logran altas velocidades de tratamiento, lo que permite aplicar altas cargas orgánicas 
en tanques de volumen reducido. Algunos ejemplos son: 
 Filtros anaerobios (AF). 
 Reactores de contacto con soporte (CASBER). 
 Reactores de lecho fluido o expandido (FB/EB). 
 
1.3.2.1. Filtros anaerobios (AF) 
 
Se utiliza para el tratamiento de aguas residuales con materia orgánica soluble o 
fácilmente hidrolizable. La biomasa se encuentra unida a un medio inerte o atrapado en 
él. El afluente atraviesa el reactor con flujo vertical,ascendente o descendente. El tamaño 
de dichas partículas es relativamente grande y a su tasa de colonización por parte de las 
bacterias depende de la rugosidad, porosidad, tamaño de poro, etc. 
El filtro anaerobio es similar a un filtro percolador aerobio salvo que la alimentación de 
agua residual penetra por el fondo de la unidad y la abandona por la parte superior. El 
filtro es empacado con un soporte de plástico o natural, sobre el soporte se desarrolla una 
película biológica anaerobia. En consecuencia, el material de relleno está completamente 
sumergido en el agua residual y por ello no hay aire en absoluto dentro del sistema, por lo 
que se pude decir que se mantienen las condiciones anaerobias requeridas. Puede 
emplearse grava o relleno sintético. El filtro anaerobio constituye un sistema eficaz para el 
tratamiento anaerobio de las aguas residuales solubles. No se requiere reciclado ya que 
la biomasa permanece adherida al relleno del filtro y por lo tanto no se pierde con el 
efluente. El mayor problema que tiene este sistema es la distribución de flujo y el eventual 
taponamiento por desarrollo de biomasa. En la parte superior cuenta con un sistema de 
separación de gases. Pueden soportar cargas orgánicas de hasta 20km/m3d. 
 Diseño y construcción de un Reactor UASB a escala banco de laboratorio 
 
 
27 
 
Figura 1.8. Filtro anaerobio, 2012. 
 
1.3.2.2. Reactores de contacto con soporte (CASBER) 
 
Estos reactores son, en esencia, idénticos a los sistemas de contacto pero con la 
incorporación de un medio inerte en el reactor. La cantidad de material que soporta es 
pequeña, sus dimensiones también lo son y tienen baja velocidad de sedimentación. 
Las partículas utilizadas suelen tener un diámetro entre 5 y 25mm, tienen una baja 
velocidad de sedimentación y, por lo tanto, pueden mantenerse en suspensión con un 
bajo grado de agitación. Un pequeño porcentaje de bacterias es soportado en estas 
partículas, que pueden ser arenas, plásticos, etc., mientras que un porcentaje sustancial 
de la biomasa activa permanece como flóculos en suspensión. 
 
1.3.2.2. Reactor de lecho fluido o expandido (FB/EB) 
 
Técnicamente, un reactor FEB es una estructura cilíndrica, empaquetada hasta un 10% 
del volumen del reactor con un soporte inerte de pequeño tamaño lo que permite la 
acumulación de elevadas concentraciones de biomasa que forman películas alrededor de 
dichas partículas. La expansión del lecho tiene lugar gracias al flujo vertical generado por 
un elevado grado de recirculación. La velocidad ascensional es tal que el lecho se 
expande hasta un punto en el que la fuerza gravitacional de descenso es igual a la fricción 
por arrastre. 
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28 
En este sistema las bacterias se encuentran fijas, formando una biopelícula sobre 
pequeñas partículas de material inerte que se mantienen fluidizadas mediante el flujo 
ascendente adecuado del fluido. Para mantener el caudal adecuado, que permita la 
expansión y fluidización del lecho, se recurre a la recirculación. Igual que el filtro, pude ser 
aplicado en aguas residuales, en especial de la industria agroalimentaria. 
 
 
Figura 1.9. EB, 2013. 
 
 
 
 
 
 
 Diseño y construcción de un Reactor UASB a escala banco de laboratorio 
 
 
29 
1.3.3. Clasificación Generacional. 
 
Otra manera de clasificarlos es con base en el proceso evolutivo, de ahí se tienen de: 
primera generación, segunda generación y tercera generación. 
 
1.3.3.1. Primera generación 
 
En ellos la biomasa se encuentra sedimentada y existe un mínimo contacto con el 
sustrato, o bien en suspensión sin recirculación de sólidos. Estas condiciones de 
operación dan lugar a que la eficiencia en la remoción de la materia orgánica sea baja con 
producciones de biogás. Las variantes de estos tipos de digestores se emplean para el 
tratamiento de residuos sólidos y la estabilización de lodos. 
 
 
Figura 1.10. Reactor de Mezcla completa sin recirculación. Fuente: Biodisol, 2012. 
 
Se denominan reactores de baja tasa. El TRH es igual al tiempo de residencia celular o 
tiempo de retención de sólidos (TRS). Se incluyen en esta categoría el tanque séptico, el 
tanque Imhoff, la laguna anaerobia y el digestor convencional (biodigestor). El sistema de 
contacto (versión anaerobia de los lodos activados) constituye un proceso de transición 
entre la primera y segunda generación. Incorpora un reactor mezclado, un sedimentador y 
la recirculación de lodos. 
 Tanque séptico: es un tanque que generalmente va enterrado y su función 
principal es la separación de sólidos suspendidos y la hidrolización de estos. Su 
aplicación se da básicamente en casas habitación, escuelas y hospitales en zonas 
donde no existe el servicio de drenaje. Hay una variante de fosa séptica dividida 
en tres cámaras y el flujo del agua se fuerza al ir de abajo hacia arriba. De esta 
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30 
forma se logra que el agua residual entre en contacto con la biomasa y hay 
remoción no sólo de materia suspendida sino disuelta. El tanque séptico elimina 
materia sólida por decantación, al detener el agua residual en el tanque, que 
permite que sedimenten los sólidos y que floten grasas y sólidos de bajo peso 
específico. Para que esta separación ocurra, el agua residual debe retenerse en el 
tanque por un mínimo de 24 horas. Hasta el 50 por ciento de los sólidos retenidos 
en el tanque se descomponen por digestión anaerobia. La materia sólida restante 
se acumula en el tanque y no se necesitan aditivos biológicos ni químicos para 
ayudar o acelerar la descomposición. El lodo continuará acumulándose en el fondo 
de la fosa séptica mientras se use el sistema, sin ningún tipo de intervención. 
 
 
Figura 1.11. Tanque séptico. Fuente: Naturaltec, 2013. 
 
 Tanque Imhoff: Es una unidad de tratamiento primario cuya finalidad es separar 
los sólidos sedimentables, los materiales gruesos, las arenas y las grasas 
presentes en el agua. Además consigue reducir por digestión anaerobia una parte 
importante de las sustancias. El tanque Imhoff es un sistema que cuenta con dos 
compartimentos: el de decantación o separación de sólidos y el de digestión de 
lodos, sus aplicaciones normales han sido a nivel de pequeñas comunidades en 
México. Durante el proceso, las aguas residuales fluyen a través de la cámara de 
sedimentación, donde los sólidos sedimentables resbalan por las paredes 
inclinadas del fondo, pasando a la cámara de digestión a través de ranuras 
presentes en el fondo del sedimentador. Las grasas y partículas flotantes se 
acumulan en la parte superior de la cámara de digestión. 
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31 
 
Figura 1.12. Tanque Imhoff. Fuente: UCV Lima Perú, 2013. 
 Laguna anaerobia: Las lagunas anaerobias constituyen un proceso de tratamiento 
que opera bajo una condición de ausencia de oxígeno. Se utilizan normalmente 
como primera fase en el tratamiento de aguas residuales urbanas o industriales 
con alto contenido en materia orgánica biodegradable. El objetivo primordial de 
estas lagunas es la reducción de contenido de sólidos y materia orgánica del agua 
residual, y no la obtención de un efluente de alta calidad. Por esta razón, las 
lagunas anaerobias operan en serie con lagunas facultativas de maduración. 
 
 
Figura 1.13. Laguna anaerobia. Fuente: Depuranatura, 2013. 
 
 Biodigestor: El biodigestor es un contenedor hermético que permite la 
descomposición de la materia orgánica en condiciones anaerobias y facilita la 
extracción del gas resultante para su uso como energía. El biodigestor cuenta con 
una entrada para el material orgánico, un espacio para su descomposición, una 
salida con válvula de control para el biogás, y una salida para el material ya 
procesado (bioabono). Elcontenedor debe estar perfectamente sellado para evitar 
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32 
que entre el oxígeno y de esta manera tener un procedimiento anaerobio 
adecuado. Existen muchas variaciones en el diseño del biodigestor. Algunos 
elementos que comúnmente se incorporan son: Cámara de fermentación: el 
espacio donde se almacena la biomasa durante el proceso de descomposición; 
cámara de almacén de gas: el espacio donde se acumula el biogás antes de ser 
extraído; pila de carga: la entrada donde se coloca la biomasa; pila de descarga: la 
salida, sirve para retirar los residuos que ya no son útiles para el biogás, pero que 
se pueden utilizar como abono (bioabono); Agitador: desplaza los residuos que 
están en el fondo hacia arriba del biodigestor para aprovechar toda la biomasa; 
tubería de gas: la salida del biogás, se puede conectar directamente una estufa o 
se puede transportar por medio de la misma tubería a su lugar de 
aprovechamiento. 
 
 
Figura 1.14. Biodigestor. Fuente: Biodisol, 2013. 
 
1.3.3.2. Segunda generación 
 
Los microorganismos se retienen en el tanque por medio de una biopelícula adherida a un 
soporte (empaque), o bien, por su sedimentación en forma de agregados (flóculos o 
granos) densos. 
En estos sistemas se ha separado el tiempo de retención hidráulico del tiempo de 
retención de sólidos y se ha mejorado considerablemente el dispositivo de distribución de 
agua en su interior. 
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33 
Constituyen los mejores exponentes de este grupo el filtro anaerobio y el reactor de manto 
de lodos. Los reactores de lecho granular expandido (EGSB) se ubican en una fase de 
transición entre los sistemas de segunda y tercera generación. 
 
1.3.3.3. Tercera generación 
También retienen los microorganismos en biopelícula o gran o compacto y denso, con la 
particularidad de que el soporte se expande o fluidifica con altas velocidades de flujo 
(reactores de lecho expandido o fluidificado). 
Los resultados más importantes obtenidos durante el desarrollo tecnológico a través de la 
evolución de los reactores son la disminución del tiempo de retención hidráulico de días a 
horas. 
Permiten la creación de instalaciones muy compactas con un gran incremento de su 
estabilidad y de las eficiencias del tratamiento del agua residual a temperaturas por 
debajo de la óptima (35°C). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Diseño y construcción de un Reactor UASB a escala banco de laboratorio 
 
 
34 
 
CAPÍTULO 2 
 
REACTOR ANAEROBIO DE 
FLUJO ASCENDENTE (RAFA) A 
ESCALA BANCO DE 
LABORATORIO 
 
 
Como se ha expuesto en el capítulo 1, hay una gran variedad de sistemas anaerobios que 
han ido evolucionando y mejorando a lo largo del tiempo. Con el fin de optimizar el 
proceso de enseñanza-aprendizaje en la carrera de Ingeniería Civil en las materias del 
área Ambiental, y favorecer la comprensión de los procesos anaerobios pro los alumnos, 
se diseño un sistema a escala banco de laboratorio de un reactor anaerobio de flujo 
ascendente que pueda usarse en prácticas posteriores. 
A continuación se dará una explicación general de este proceso de tratamiento seguido 
de la metodología para su diseño. 
 
2.1. Reactores Anaerobios de Flujo Ascendente (RAFA o UASB). 
 
En el campo de desarrollo de tecnología referente al tratamiento biológico de aguas 
residuales, se han popularizado los procesos de tratamiento anaerobio, sobre todo a partir 
de las investigaciones efectuadas por Gatze Lettinga en Holanda cerca de 1980, con los 
denominados UASB o Reactores Anaerobios de Flujo Ascendente (RAFA) o bien UASB 
por sus siglas en ingles (Upflow Anaerobic Sludge Blanket). 
El reactor RAFA es apto para tratar aguas residuales industriales con elevada carga 
orgánica. Sin embargo, puede también aplicarse en aguas con menos concentraciones de 
materia orgánica (DBO), como es el caso de los efluentes municipales. 
 Diseño y construcción de un Reactor UASB a escala banco de laboratorio 
 
 
35 
En términos generales, los RAFA´s consisten en tanques cuyo caudal afluente ingresa por 
su sección superior. El período de retención hidráulica (normalmente de unas 18 horas o 
mayor dependiendo de la temperatura de operación, tipo de desecho y otras variables), 
permite que el material contaminante sea estabilizado parcialmente por bacterias 
anaerobias, con la consecuente producción de biogás. Es por ello que se denominan 
“reactores”, ya que en ellos se lleva a cabo la reacción bioquímica o biodegradación. 
Debido al metabolismo de los microorganismos involucrados, los procesos anaerobios no 
requieren oxígeno (no se tiene el consumo eléctrico asociado con la aireación), se genera 
una menor cantidad de lodo (residuos sólidos) posible en un sistema de tratamiento de 
agua y se obtiene un subproducto de alto valor energético como es el biogás, susceptible 
de ser aprovechado. 
Posiblemente el mayor problema operacional de este tipo de reactor descansa en su 
“arranque” o puesta en marcha, para lo cual se debe alimentar inicialmente con un caudal 
controlado menor que el de diseño, con estricto control del pH, de la presencia de Ácidos 
Grasos Volátiles (AGV), del crecimiento neto celular medio en términos de Sólidos 
Suspendidos Volátiles, de la relación entre la biomasa activa y la capacidad de digestión 
biológica de la materia orgánica, medida en términos de la Actividad Metanogénica 
Específica (AME), de las características de sedimentación del manto medido a través del 
Índice Volumétrico de Lodos (IVL), etc. 
Los reactores UASB están caracterizados por la retención interna de los lodos a través de 
un sistema de separación trifásica en la parte superior del reactor, que actúa por 
sedimentación independiente, o sea por la fuerza de gravedad. Además se distingue de 
los demás reactores de segunda generación por sus lodos que están formados por 
gránulos de lodo, los llamados “pellets”, los cuales no contienen ningún tipo de relleno 
para soportar el crecimiento biológico. 
 
Figura 2.1. Pellets o lodos anaerobios de un RAFA. 
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36 
En general el agua residual entra por debajo del reactor, a continuación pasa por un 
distribuidor de flujo, atraviesa el lecho de lodo donde se produce la metabolización del 
sustrato, lo que lleva a la formación del biogás y el ascenso de burbujas y flotación de 
gránulos hacia la parte superior del reactor, donde se separan las tres fases: gas, líquido 
tratado y biomasa en un separador trifásico, y el afluente tratado sale por la parte 
superior, al igual que el biogás se va recolectando para un futuro uso, mientras los 
gránulos son retenidos y descienden. La flotación de los gránulos se produce debido a la 
adhesión de burbujas en su interior. 
 
Figura 2.2. Reactor UASB. 
 
La separación trifásica interna empleada en los reactores UASB tiene la ventaja de 
minimizar las fuerzas sobre el lodo, una condición para la formación de los gránulos. 
En conjunto con la separación trifásica se emplea un sistema de decantación que en el 
caso de los reactores UASB se puede caracterizar de tipo interno y de flujo vertical. 
Condición importante es la ausencia de turbulencia dentro del sistema de decantación, lo 
que hay que asegurar con la separación del área donde se produce la purificación, para 
no intervenir el régimen de flujo dentro del decantador. Es favorable emplear tipos de 
residencia cortos para el sistema de decantación. Además hay que interceptar el gas en el 
separador trifásico, antes que entren los lodos al sistema de decantación. 
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37 
El primer reactor UASB para tratar aguas residuales municipales se construyó en 1989, 
en la Universidad Autónoma