1 DETERMINACIÓN DEL TIEMPO DE RESIDENCIA EN EL INTERIOR DE UN DIGESTOR TEMÁTICA: Desarrollo sostenible Ricardo Arribas de Paz1P, Dr. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos César Antonio Rodríguez González1, Ingeniero de Montes Javier Vázquez de Prada2, Ingeniero Industrial (1) Escuela Politécnica Superior. Universidad de Huelva (2) FCC Medio Ambiente, S.A. RESUMEN El tiempo de residencia en un digestor depende del flujo de alimentación al digestor y del flujo de salida del mismo. Al igual que con el resto de las variables que intervienen en el proceso, es importante determinar el tiempo medio, pero también las variaciones de estancia de los residuos respecto al mismo, ya que de ello dependerán las características de producción de biogas, tanto en cantidad como en calidad. Para determinar el tiempo de estancia en un caso real se ha realizado una prueba cuyas características y resultados se analizan en esta ponencia. ABSTRACT The time of residence in a digestor depends on the flow of feeding to the digestor and on the flow of exit of the same one. Like with the rest of the variables that take part in the process, it is important to determine the average time, but also the variations of stay of the remainders with respect to the same one, since on it the characteristics of production of biogas will depend, as much in amount as in quality. In order to determine the time of stay in a real case a test has been made whose characteristics and results are analyzed in this communication. 245 2 DETERMINACIÓN DEL TIEMPO DE RESIDENCIA EN EL INTERIOR DE UN DIGESTOR 1.- INTRODUCCION La superposición y actuación simultánea de los diferentes tipos bacterianos en el proceso de biometanización condiciona de forma directa las acciones que pueden tomarse sobre las variables que pueden afectar al proceso en su conjunto dado que el mismo se produce en un único reactor. Resulta evidente que habría que establecer las variables de operación teniendo en cuenta tanto las poblaciones bacterianas implicadas en sus aspectos de crecimiento y duplicación. Las poblaciones bacterianas anaeróbias se pueden resumir en el siguiente cuadro: Etapa Bacterias Acidogénica Formadoras de Ácidos Acetogénica Formadoras de Ácido Acético Metanogénic a Materia Prima Hidratos de carbono Ácidos Orgánicos Ácido Acético Acetofílicas Hidrogenofílicas CO y H2 Productos Tiempo de Duplicación CmH2mO2 , CO2 e H2 0,5 horas C2H4O2 , CO2 e H2 36-96 horas CH4 y CO2 48-72 horas CH4 y H2O 6 horas Inhibidores H2 Tabla 1: Actividad bacteriana Este grupo de bacterias se encuentran muy limitadas en dos de las que suelen ser las variables principales de reacción, en concreto temperatura y pH. La temperatura determinará el tipo de proceso, mesófilo o termófilo. En el caso de la planta en cuestión este extremo está decidido por las termófilas para las que el nivel optimo se sitúa entre 35 y 37 ºC. El pH está muy limitado a un rango de 6,5 a 7,5 fuera del cual la actividad bacteriana es muy reducida o nula. 246 3 Por otra parte, las variables restantes, Eh o potencial redox, concentración de sólidos totales o si se prefiere relación sólido/líquido, flujo de alimentación de materia prima, tiempo de reacción, nivel de homogeneización y concentración de ácidos volátiles, es posible variarlas dentro de ciertos límites ya que existen relaciones entre ellas. Así, si se elige un flujo de alimentación de materia prima y se fija una relación sólido/líquido determinada, el tiempo de reacción viene dado, ya que el volumen del reactor es fijo. El diagrama de proceso se puede esquematizar según se indica en la figura 1 en dónde la zona amarilla corresponde al reactor. Materia Prima 247 4 FERMENTACION FRAGMENTACION PREPARACION DE LA CARGA HIDROLISIS ACIDOGENESIS ACETOGENESIS Gas METANOGENESIS ACETOFILICA HIDROGENOFILICA Gas Líquido COMPRESION Residuo Figura 1: Diagrama del proceso 2.- ANTECEDENTES El grupo de investigación “Ingeniería Civil y Calidad Ambiental de la Universidad de Huelva” coordina científicamente el proyecto de investigación “Definición de Variables e Indicadores Ambientales en Procesos Conjuntos de Tratamiento de Residuos Sólidos Urbanos (R.S.U.)”, con la participación del Centre de Recherches 248 5 pour l’Environnement, l’Energie et les Déchets (CREED), de Francia y promovido por la Empresa FCC, Medio Ambiente, S.A., española. Dicho proyecto está financiado con fondos LIFE y PROFIT, y ha obtenido la etiqueta europea EUREKA. Los ensayos, a escala real, se realizan en la planta integral de tratamiento de RSU, gestionada por la empresa FCC en Valladolid. La concepción de la planta de recuperación y compostaje de Valladolid permite el tratamiento de los residuos sólidos urbanos, tanto si proceden de una recogida unitaria, no diferenciada , como si lo hacen de una recogida selectiva. Las cantidades totales tratadas pueden variar desde un mínimo de 130.000 Toneladas /Año hasta un máximo de 210.000 Toneladas /Año , que comprenden todos los residuos urbanos tipificados como procedentes de domicilios particulares, comercios, y oficinas; así como los provenientes de la limpieza viaria (residuos de poda) todos aquellos asimilables a residuos urbanos. La planta cuenta con una instalación de cogeneración de electricidad mediante el tratamiento de una parte de la fracciona orgánica de los residuos, para la producción de biogás en un reactor de biometanización. Parte de esta energía eléctrica producida se destina al autoconsumo de la planta. 3.- DESCRIPCION DEL REACTOR El proceso de biometanización se desarrolla en una nave, dónde se encuentran el digestor, la zona del gasómetro, para almacenamiento del biogás, y la antorcha, para la combustión de excedentes. Su capacidad de tratamiento es de 1500 T/ Año El sistema elegido es de digestión seca con una cantidad de sólidos volátiles de más del 25 por 100 sobre el total de los residuos de entrada al digestor. Las instalaciones y equipos que llevan a cabo el proceso son los siguientes: - Sistema de alimentación del digestor: Los residuos biodegradables procedentes de una parte de la fracción orgánica de los hundidos de los trómeles del área de tratamiento primario, se llevan mediante cinta transportadora a la nave de metanización donde se descargan a un transportador sinfín que alimenta el compartimento de precompostaje. La descarga del módulo de precompostaje se realiza mediante un piso móvil que transporta y dosifica el material para su post-trituración en un molino rotativo a un tamaño menor de 50 mm. Así, se aumenta la superficie específica favoreciendo la actividad microbiológica de la fase de digestión anaerobia. El material triturado se lleva mediante transportador sin fin a la tolva de alimentación del digestor. - Sistema de digestión: 249 6 El digestor es de sección cuadrada y tiene una capacidad de 1.682,15 m3 y está realizado en forma de reactor horizontal de hormigón, calefactado y completamente aislado, para disminuir las perdidas térmicas y mantener la temperatura necesaria para el proceso de digestión. El sustrato pasa por el digestor de forma continua en un flujo secuencial. El digestor está equipado con homogeneizadores horizontales que impiden la formación de una capa de materiales flotantes así como la sedimentación. Al mismo tiempo facilitan, gracias a la agitación del contenido, la liberación del biogás formado. - Sistema de almacenamiento del biogás y recuperación de energía: En esta subárea se distinguen los equipos propios del digestor y los correspondientes a la recuperación de energía. Destaca el sistema de calefacción alimentado por un grupo calor-fuerza de potencia 720 Kw y preparado para funcionar con biogás, y un gasómetro de 2150 m3 de volumen útil que permite producir 3.000.000 Kwh. al año . 4.- INVESTIGACION REALIZADA 4.1.- Planteamiento La primera variable en el proceso de biometanización a controlar es el tiempo de residencia de los residuos en el reactor. Dependiendo de él, el rendimiento del proceso variará, tanto en la cantidad de biogás producido, como en la calidad del mismo. Resulta obvio que la materia prima, los RSU, no son una materia escasa, por lo que se persigue optimizar el comportamiento del conjunto y no el unitario. En la situación de partida, no existe un conocimiento preciso de dicha variable, con incertidumbres importantes sobre la misma. Mediante balance de masas se puede realizar una estimación de la permanencia media. Como resulta evidente el tiempo de residencia depende del flujo de alimentación al digestor y del flujo de salida del mismo. Al igual que con el resto de las variables que intervienen en el proceso, es importante determinar el tiempo medio, pero también las variaciones de estancia de los residuos respecto al mismo, ya que de ello dependerán las características de producción de biogás, tanto en cantidad como en calidad. En función de los datos de explotación es difícil, por no decir imposible, determinar dicho tiempo de residencia. A continuación se hace una estimación del mismo, partiendo de algunos datos de explotación y de otros del funcionamiento teórico dado por el fabricante. • • • • Entrada de residuos: 40 Tn, equivalente a 66,6 m3 Recirculación: 5,40 m3 /día, con un 14% de sólidos totales Volumen total del digestor: 1550 m3 Sólidos totales en el digestor: 28 % De acuerdo con los datos anteriores, el tiempo medio de permanencia es de 21 días. 250 7 Para controlar el tiempo de residencia es necesario introducir en el digestor algún material trazador. Este material debe reunir las siguientes características: • Ser inalterable • Tener una densidad similar a la del digesto • Ser fácilmente controlable Después de estudiar diversas opciones se ha optado por utilizar bolas de golf, impregnadas con una solución de fluoresceína, que es detectable bajo luz ultravioleta. Para determinar el comportamiento de la bola de golf al ser introducida en el digestor, se determinó su densidad: Peso bola golf = 46 gr. Diámetro = 42 mm. Densidad (Kg/m3)= 1.186 Kg/m3 Esta densidad se estima similar a la del digesto. Para realizar el ensayo se introducirán 500 bolas de golf durante la alimentación del digestor, mezcladas con el residuo. Transcurridos 10 días, se procederá a muestrear de manera diaria la fracción sólida extraída por la prensa. Para ello, diariamente, durante una hora por la mañana y otra por la tarde, se seleccionará un depósito lleno de material. Éste se vaciará en un contenedor dispuesto a tal efecto. Dentro de este contenedor se realizará el rastreo del producto , recogiendo todas las bolas de golf que pudiesen aparecer. De esta manera cada día se irán contando las bolas recogidas durante las dos horas. El ensayo concluirá cuando la presencia de bolas sea despreciable. 4.2. Desarrollo del ensayo En la siguiente figura se muestran los resultados obtenidos. En abcisas se presentan los días transcurridos desde la introducción de las bolas en el digestor, y en ordenadas el número de bolas recogido por minuto, tomando como referencia las bolas encontradas en los períodos horarios ensayados. 251 8 EVOLUCIÓN SALIDA BOLAS GOLF 0,2 0,18 0,16 nº bolas/min 0,14 MAÑANA TARDE 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 43 40 37 34 31 28 25 22 19 16 13 10 7 4 1 0 Figura 2: Bolas extraidas 4.3. Análisis de resultados Para determinar el tiempo de residencia se han analizado estadísticamente los resultados, tomando como dato representativo la media de los resultados obtenidos en ambos períodos. De acuerdo con lo anterior los resultados obtenidos se representan en la siguiente figura. MEDMAÑTA ,4 Bolas/min. ,3 ,2 Observed ,1 Quadratic Cubic 0,0 0 10 20 30 40 50 Day Figura 3: Análisis de resultados 252 9 5. CONCLUSION De los resultados obtenidos se pueden deducir las siguientes conclusiones: 1. El tiempo medio de residencia está en torno a los treinta días, lo que supone una estancia superior a lo habitual en instalaciones de este tipo, si bien a esta escala no hay, suficientemente referenciadas, instalaciones similares. 2. La dispersión respecto a la media es alta, lo que hace suponer recorridos preferenciales en el interior del digestor. 3. El conocer el tiempo de residencia va a permitir establecer un adecuado balance de masas en tiempo real. BIBLIOGRAFIA - LAGREGA, M et al. Hazardus Waste Management. Mc GRAW HILL. 1994 U.S.A. ENVIRONMENTAL PROTECTION AGENCY, Integrated Risk Information System, IRIS. 1994 DE BACKER, P. Le management vert. DUNOD. 1992 TCHOBANOGLOUS, G. et al. Integrated Solid Waste Management. McGRAW HILL. 1996 VESILIND, P. Solid Waste Engineering. POWELLS BOOKS. 2001 SHAH, K.L. Basic of Solid and Hazardous Waste Management Technology. POWELLS BOOKS. 1999 CORRESPONDENCIA Ricardo Arribas de Paz Dr. Ingeniero de Caminos, Canales y Puertos Director del Dpto. de Ingeniería de Diseño y Proyectos Escuela Politécnica Superior Universidad de Huelva La Rábida. Palos de la Fra. 21819-HUELVA SPAIN Tfno. +3459017338 email: [email protected] 253