diseño de un digestor anaeróbico de una depuradora de

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
INGENIERO INDUSTRIAL
DISEÑO DE UN DIGESTOR ANAERÓBICO
DE UNA DEPURADORA DE TRATAMIENTO
DE AGUAS RESIDUALES CON
APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO
Autor: Jorge Jesús Pérez Pichel
Director: María del Mar Cledera Castro
Madrid
Julio - 2012
AUTORIZACIÓN PARA LA DIGITALIZACIÓN, DEPÓSITO Y DIVULGACIÓN EN ACCESO
ABIERTO (RESTRINGIDO) DE DOCUMENTACIÓN
1º. Declaración de la autoría y acreditación de la misma.
El autor D. Jorge Jesús Pérez Pichel, como estudiante de la UNIVERSIDAD PONTIFICIA
COMILLAS (COMILLAS), DECLARA
que es el titular de los derechos de propiedad intelectual, objeto de la presente cesión, en
relación con la obra Diseño de in digestor anaeróbico de una depuradora de tratamiento de
aguas residuales con aprovechamiento energético, que ésta es una obra original, y que ostenta
la condición de autor en el sentido que otorga la Ley de Propiedad Intelectual como titular
único o cotitular de la obra.
En caso de ser cotitular, el autor (firmante) declara asimismo que cuenta con el
consentimiento de los restantes titulares para hacer la presente cesión. En caso de previa
cesión a terceros de derechos de explotación de la obra, el autor declara que tiene la oportuna
autorización de dichos titulares de derechos a los fines de esta cesión o bien que retiene la
facultad de ceder estos derechos en la forma prevista en la presente cesión y así lo acredita.
2º. Objeto y fines de la cesión.
Con el fin de dar la máxima difusión a la obra citada a través del Repositorio institucional de la
Universidad y hacer posible su utilización de forma libre y gratuita ( con las limitaciones que
más adelante se detallan) por todos los usuarios del repositorio y del portal e-ciencia, el autor
CEDE a la Universidad Pontificia Comillas de forma gratuita y no exclusiva, por el máximo plazo
legal y con ámbito universal, los derechos de digitalización, de archivo, de reproducción, de
distribución, de comunicación pública, incluido el derecho de puesta a disposición electrónica,
tal y como se describen en la Ley de Propiedad Intelectual. El derecho de transformación se
cede a los únicos efectos de lo dispuesto en la letra (a) del apartado siguiente.
3º. Condiciones de la cesión.
Sin perjuicio de la titularidad de la obra, que sigue correspondiendo a su autor, la cesión de
derechos contemplada en esta licencia, el repositorio institucional podrá:
(a) Transformarla para adaptarla a cualquier tecnología susceptible de incorporarla a internet;
realizar adaptaciones para hacer posible la utilización de la obra en formatos electrónicos, así
como incorporar metadatos para realizar el registro de la obra e incorporar “marcas de agua”
o cualquier otro sistema de seguridad o de protección.
(b) Reproducirla en un soporte digital para su incorporación a una base de datos electrónica,
incluyendo el derecho de reproducir y almacenar la obra en servidores, a los efectos de
garantizar su seguridad, conservación y preservar el formato. .
(c) Comunicarla y ponerla a disposición del público a través de un archivo abierto institucional,
accesible de modo libre y gratuito a través de internet.1
(d) Distribuir copias electrónicas de la obra a los usuarios en un soporte digital. 2
4º. Derechos del autor.
El autor, en tanto que titular de una obra que cede con carácter no exclusivo a la Universidad
por medio de su registro en el Repositorio Institucional tiene derecho a:
a) A que la Universidad identifique claramente su nombre como el autor o propietario de los
derechos del documento.
b) Comunicar y dar publicidad a la obra en la versión que ceda y en otras posteriores a través
de cualquier medio.
c) Solicitar la retirada de la obra del repositorio por causa justificada. A tal fin deberá ponerse
en contacto con el vicerrector/a de investigación ([email protected]).
d) Autorizar expresamente a COMILLAS para, en su caso, realizar los trámites necesarios para
la obtención del ISBN.
d) Recibir notificación fehaciente de cualquier reclamación que puedan formular terceras
personas en relación con la obra y, en particular, de reclamaciones relativas a los derechos de
propiedad intelectual sobre ella.
5º. Deberes del autor.
1
En el supuesto de que el autor opte por el acceso restringido, este apartado quedaría redactado en los
siguientes términos:
(c) Comunicarla y ponerla a disposición del público a través de un archivo institucional, accesible de
modo restringido, en los términos previstos en el Reglamento del Repositorio Institucional
2
En el supuesto de que el autor opte por el acceso restringido, este apartado quedaría eliminado.
El autor se compromete a:
a) Garantizar que el compromiso que adquiere mediante el presente escrito no infringe ningún
derecho de terceros, ya sean de propiedad industrial, intelectual o cualquier otro.
b) Garantizar que el contenido de las obras no atenta contra los derechos al honor, a la
intimidad y a la imagen de terceros.
c) Asumir toda reclamación o responsabilidad, incluyendo las indemnizaciones por daños, que
pudieran ejercitarse contra la Universidad por terceros que vieran infringidos sus derechos e
intereses a causa de la cesión.
d) Asumir la responsabilidad en el caso de que las instituciones fueran condenadas por
infracción de derechos derivada de las obras objeto de la cesión.
6º. Fines y funcionamiento del Repositorio Institucional.
La obra se pondrá a disposición de los usuarios para que hagan de ella un uso justo y
respetuoso con los derechos del autor, según lo permitido por la legislación aplicable, y con
fines de estudio, investigación, o cualquier otro fin lícito. Con dicha finalidad, la Universidad
asume los siguientes deberes y se reserva las siguientes facultades:
a) Deberes del repositorio Institucional:
- La Universidad informará a los usuarios del archivo sobre los usos permitidos, y no garantiza
ni asume responsabilidad alguna por otras formas en que los usuarios hagan un uso posterior
de las obras no conforme con la legislación vigente. El uso posterior, más allá de la copia
privada, requerirá que se cite la fuente y se reconozca la autoría, que no se obtenga beneficio
comercial, y que no se realicen obras derivadas.
- La Universidad no revisará el contenido de las obras, que en todo caso permanecerá bajo la
responsabilidad exclusiva del autor y no estará obligada a ejercitar acciones legales en nombre
del autor en el supuesto de infracciones a derechos de propiedad intelectual derivados del
depósito y archivo de las obras. El autor renuncia a cualquier reclamación frente a la
Universidad por las formas no ajustadas a la legislación vigente en que los usuarios hagan uso
de las obras.
- La Universidad adoptará las medidas necesarias para la preservación de la obra en un
futuro.
b) Derechos que se reserva el Repositorio institucional respecto de las obras en él registradas:
- retirar la obra, previa notificación al autor, en supuestos suficientemente justificados, o en
caso de reclamaciones de terceros.
DISEÑO DE UN DIGESTOR ANAERÓBICO DE UNA
DEPURADORA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
CON APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO
Autor: Pérez Pichel, Jorge Jesús.
Director: María del Mar Cledera Castro
Entidad Colaboradora: ICAI – Universidad Pontificia Comillas.
RESUMEN DEL PROYECTO
Introducción
El incremento de la población y la expansión de la industria provocan un notable
descenso de las fuentes naturales de agua. Por esta razón, es necesario controlar y
gestionar el consumo y regeneración de este preciado elemento. Para ello, se realizan
diversas políticas de gestión del consumo y tratamientos de aguas residuales para su
retorno al medio natural. En las últimas décadas, ha adquirido especial interés los
procesos de aprovechamiento energético. Actualmente, todas las empresas y países
de zonas con un alto nivel de desarrollo realizan grandes inversiones para investigar
e instalar nuevas depuradoras o mejorar las ya existentes.
El proyecto propone realizar un análisis de los factores determinantes que interviene
en el proceso de digestión anaeróbica de fangos procedentes de aguas residuales
urbanas, con el fin de comprobar y observar las relaciones existentes entro los
distintos parámetros y la eficiencia energética.
Metodología
Para poder dimensionar el digestor anaeróbico es necesario partir de las
características de las aguas residuales del efluente.
Partiendo de los datos proporcionados por la empresa Aguas de Jerez, se obtienen las
cargas contaminantes así como los caudales y la población de diseño. Con estas
bases iniciales de diseño, se plantea el estudio funcional de los procesos intermedios
de la línea de agua y la línea de fangos hasta llegar al digestor anaeróbico.
Resultados
Una vez obtenidos los valores característicos de los fangos de entrada del digestor, se
procede a fijar los valores normalizados obtenidos en la bibliografía. Dichos valores
se consideran la base del diseño de digestores anaeróbicos para aguas urbanas y se
han fijado a partir de la experiencia a lo largo de los años y de los conceptos teóricos
que en el proyecto se desarrollan.
Así pues, las características de los fangos extraídos de la línea de agua y espesados
en el pretratamiento de fangos se representan en la siguiente tabla.
28.454,40
F. orgánicos espesados (Kg/m3)
1.185,60
Caudal de fangos espesados (m3/día)
Tabla 1: Fangos mixtos de entrada al digestor
Una vez fijados los parámetros de diseño, se parametríza el digestor teniendo en
cuenta los límites constructivos unitarios del propio digestor, así como de las
calderas y de los intercambiadores. Además, se presta especial atención a la
coherencia de los resultados con el objetivo de obtener resultados típicos y
contrastados en la bibliografía.
Por otro lado, la parametrización permite controlar dos grados de libertad: la cantidad
de digestores a instalar y la posibilidad de dotar de aislamiento a los tanques de
digestión.
Por lo tanto, el proceso anaeróbica se desarrolla con cuatro digestores de 19,43 m de
diámetro y con un tiempo de retención de 20 días a 35ºC. La tabla 2 muestran los
resultados obtenidos.
Volumen deigestor (m3)
Número de digestores
23.712
4
Volumen unitario(m3)
5928
Diámetro (m)
19,43
Tabla 2: Características funcionales del digestor
A partir de los valores geométricos y funcionales del digestor, así como las
características de los fangos a la entrada del mismo, se determinan las necesidades
energéticas para el control de uno de los parámetros más importantes del digestor: la
temperatura.
En la tabla 3 se muestran dichas necesidades en las que se puede observar las
diferencias entre la instalación de un aislamiento frente a la ausencia del mismo.
Sin aislamiento
Con aislamiento
Necesidades calentamiento de fangos (Kcal/h)
988.000
988.000
Necesidades por pérdidas (Kcal/h)
534.398
323.478
Demanda Térmica Total (Kcal/h)
1.522.398
1.311.478
Tabla 3: Necesidades térmicas para control de temperatura
La tabla 4 se presenta las capacidades de los intercambiadores y las calderas a
instalar. Se trata de valores dentro de los márgenes habituales en depuradoras de este
tamaño y se pueden observar los beneficios al instalar el aislamiento. Será
determinante la normalización del número de calderas y de intercambiadores al
impedir obtener valores unitarios coherentes.
Sin aislamiento
Con aislamiento
5
5
1.691.553
1.457.197
338.311
291.439
2
2
Capacidad necesaria calderas (Kcal/h)
2.349.379
2.023.885
Capacidad unitaria calderas (Kcal/h)
1.174.689
1.011.943
Número de intercambiadores
Capacidad necesaria intercambiador
(Kcal/h)
Capacidad unitaria intercambiador
(Kcal/h)
Numero de calderas
Tabla 4: Características de intercambiadores y de calderas
Finalmente, se obtienen los resultados de generación de biogás (con un contenido en
gas aproximado del 65%). El gas consumido cubre las necesidades térmicas del
digestor obteniendo un exceso de gas empleado como combustible para la
producción de energía eléctrica. A su vez, en el proceso de combustión, el calor de
las camisas de los motores y de los gases de escape pueden ser reaprovechados para
reforzar las necesidades térmicas en el calentamiento de fangos.
Las tablas 5 y 6 muestran los resultados de la gestión del gas y de la producción
eléctrica en la que se tiene en cuenta un rendimiento del motogenerador del 35%.
Sin aislamiento
Con aislamiento
Volumen de gas generado (m3/día)
11.524
11.524
Volumen de gas consumido (m3/día)
8.426
7.258,40
Volumen de gas en exceso (m3/día)
3.098
4.266
Tabla 5: Generación de biogás
Sin aislamiento
Con aislamiento
691.124,3
951.519,3
Potencia eléctrica (Kw)
281,3
387,3
Energía eléctrica (Kwh)
6.751,70
9.295,60
Producción térmica en exceso
(Kcal/h)
Tabla 6: Generación energética
Conclusiones
El número de intercambiadores y de calderas están fijadas por la norma siendo
necesario el exhaustivo control de las capacidades energéticas. En este caso, la
presencia del aislamiento permite la viabilidad del proyecto al permitir obtener
valores unitarios de volumen, capacidades y producción de gas-energía dentro de
márgenes.
La relación entre parámetros de diseño se hace patente al modificar los grados de
libertad. Una vez fijadas las bases de diseño se observa como los incrementos de
pérdidas producidos al modificar el número de digestores son elevados cuando se
aumenta la superficie de contacto.
Tras el estudio de la bibliografía y observando notables mejorías con la introducción
de aislamiento, se decide la instalación de 4 digestores obteniéndose valores más
coherentes que para 3 digestores. Es cierto que el biogás producido es menor, pero
las variaciones en el mismo teniendo en cuenta la presencia de aislante son
despreciables frente a los beneficios constructivos.
Finalmente, la potencia producida con los cuatros digestores aislados, permite
generar 9.295,6 Kwh de energía eléctrica al día, equivalente al consumo eléctrico de
aproximadamente 1150 familias de cuatro miembros.
AN ANAEROBIC DIGESTER DESIGN OF SEWAGE WASTE
WATER TREATMENT WITH ENERGY USE
Author: Pérez Pichel, Jorge Jesús.
Director: María del Mar Cledera Castro
Collaborating Institution: ICAI – Universidad Pontificia Comillas.
SUMMARY
Introduction
Population increase and the expansion of the industry cause a notable decrease of the
natural sources of water. For this reason, the consumption and regeneration of this
valued element has to be controlled and managed. To do this, some policies of
consumption management and treatment of the sewage for a returning to the natural
environment are carried out. Over the past decades, the energy exploitation process
has been often used. Today, all companies and developed countries invest in
research, set up new sewage treatment plants or improve the active ones.
The project wants to carry out an analysis of the crucial factors for the anaerobic
digestion of sludge from urban areas, checking and watching the relations among
different parameters and the energy efficiency.
Methodology
In order to size the anaerobic digester, it’s necessary to start from the features of the
tributary sewage.
From data of the company Aguas de Jerez the amount of wastewater, flows and
design population can be obtained. With these design data, it’s possible to study the
intermediate processes of the water and sludge lines until the anaerobic digester.
Results
Once the characteristic values of the mud at the digester inlet are obtained, the
normalized values from bibliography are fixed. These values are considered the base
for the anaerobic digester design for urban water, and have been fixed with years of
experience and some of the theoretical concepts developed at this work.
Thus, the characteristics of the mud extracted from the water line and thicken at the
mud pre-treatment are shown at the next table:
Thicken organic mud (Kg/m3)
28.454,40
Thicken mud flow (m3/day)
1.185,60
Table 1: Mixed mud at the digester inlet
Once the design parameters have been fixed, the digester is parameterized taking into
account all the digester unitary constructive limits as well as in case of each boiler
and heat exchangers. Moreover, it is important to pay special attention for the
coherence of all results with the goal of obtaining typical results contrasted with the
bibliography.
On the other hand, the parameterization lets to control two degrees of freedom: the
quantity of digesters to be installed and the possibility of isolating the digester tanks.
Thus, the anaerobic process is developed with four digesters, each one with a 19.43
m diameter and with a retaining time of 20 days at 35ºC. Table 2 shows the obtained
results.
Digester volume (m3)
23.712
Number of digesters
4
Unitary volume (m3)
5928
Diameter (m)
19,43
Table 2: Functional characteristics of the digester
Considering the geothermal and functional values of the digester, as well as the mud
characteristics at the inlet sections, the energetic needs are determined in order to
control one of the most important parameters of the digester: the temperature.
At table 3 it is shown that needs where it is possible to see the differences between
installing the insulation and without considering it.
Without insulation
With insulation
Heat necessities of sludge (Kcal/h)
988.000
988.000
Necessities by loss (Kcal/h)
534.398
323.478
1.522.398
1.311.478
Total Thermal Demand (Kcal/h)
Table 3: Thermal necessities to temperature control
The table 4 represents the exchangers’ capacities and the boilers capacities when
they are installed. They are securities within the normal borders in purifying plants of
this size. We can see the benefits when we install the insulation. The standardization
of the volume of boilers and exchangers will be really important because it will
prevent the correct unitary value.
Without insulation
With insulation
5
5
1.691.553
1.457.197
338.311
291.439
2
2
Necessary capacity boilers (Kcal/h)
2.349.379
2.023.885
Unitary capacity boilers (Kcal/h)
1.174.689
1.011.943
Volume of exchangers
Necessary capacity exchanger (Kcal/h)
Unitary capacity exchanger (Kcal/h)
Volume of boilers
Table 4: Exchangers and boilers features
Finally, we obtain the results of biogas generate (with a approximately content in gas
of 65%). The consumed gas covers the thermal necessities of the digester, getting a
excess of gas used as fuel in order to obtain electric energy. In turn, in the
combustion process, heat of engine jacket and exhausts can be reused in order to
strengthen the thermal necessities in the sludge heating’s.
Tables 5 and 6 show the results of the gas and electric production management
taking into account the motogenerator efficiency 35%.
Without isolation
With isolation
Volume of gas generated (m3/day)
11.524
11.524
Volume of gas consumed (m3/day)
8.426
7.258,40
Excess volume of gas (m3/day)
3.098
4.266
Table 5: Biogas generation
Thermal production in excess
Without isolation
With isolation
691.124,3
951.519,3
281,3
387,3
6.751,70
9.295,60
(Kcal/h)
Electric Power (Kw)
Electric energy (Kwh)
Table 6: Energy generation
Conclusions
The number of exchangers and boilers are fixed according to the rule. It is necessary
an exhaustive control of the energetic capacities. In this case, the presence of
isolation allows the project feasibility as it enables to obtain unitary values of
volume, capacities and production of gas-energy within margins.
The relationship between the design parameters is becomes evident as the degrees of
freedom are changed. Once the design bases are fixed, increments of the production
losses can be observed when the number of digesters is high and the contact area
increases.
After de literature review and observing significant improvements in the introduction
of the isolation, we decided the installation of 4 digesters obtaining more consistent
values than with 3 digesters. The biogas produced is lower, but the variations of it
taking into account the presence of isolation are negligible compared with the
constructive benefits.
Finally, the power produced by the four isolated digesters allows the generation of
9.295,6 Kwh of electric a day, equivalent to the electric consume of approximately
1150 families of 4.
ÍNDICE
ÍNDICE .................................................................................................................... - 1 ÍNDICE DE TABLAS ............................................................................................. - 4 ÍNDICE DE FIGURAS............................................................................................ - 5 CAPITULO 1: INTRODUCCIÓN .......................................................................... - 7 1.1.
Estado de la cuestión ............................................................................... - 7 -
1.1.1
Contexto general ................................................................................. - 7 -
1.1.2
Antecedentes ....................................................................................... - 8 -
1.1.3
Actualmente ........................................................................................ - 9 -
1.1.4
Evolución futura................................................................................ - 10 -
1.2.
Motivación ............................................................................................ - 11 -
1.3.
Objetivos del proyecto .......................................................................... - 12 -
1.4.
Metodología: Solución desarrollada ..................................................... - 14 -
CAPITULO 2: ESTUDIO DE AGUAS RESIDUALES ....................................... - 15 2.1.
Características del afluente ................................................................... - 15 -
2.1.1
Población de diseño........................................................................... - 16 -
2.1.2
Cargas contaminantes afluente.......................................................... - 16 -
2.1.3
Caudal de diseño ............................................................................... - 18 -
2.2.
Características del efluente ................................................................... - 19 -
2.2.1
Directiva sobre tratamiento de aguas residuales urbanas.................. - 19 -
2.2.2
Determinación de zonas sensibles y menos sensibles:...................... - 22 -
2.2.3
Características finales del efluente.................................................... - 24 -
CAPITULO 3: ELEMENTOS FUNCIONALES .................................................. - 25 3.1.
3.1.1
Estructura de las instalaciones .............................................................. - 25 Elementos de la línea de agua ........................................................... - 25 -
-1-
3.1.2
3.2.
Elementos de la línea de fangos ........................................................ - 27 Justificación datos de partida ................................................................ - 29 -
3.2.1
Decantación primaria ........................................................................ - 30 -
3.2.2
Reactor biológico .............................................................................. - 33 -
3.2.3
Espesamiento..................................................................................... - 37 -
3.2.4
Mezcla de fangos mixtos................................................................... - 39 -
CAPITULO 4: DESCRIPCIÓN DEL PROCESO ANAERÓBICO...................... - 41 4.1.
Objetivos del proceso Anaeróbico ........................................................ - 41 -
4.2.
Microbiología del proceso..................................................................... - 42 -
4.3.
Producción de metano ........................................................................... - 44 -
4.4.
Digestores anaeróbicos: ........................................................................ - 45 -
4.5.
Parámetros ambientales y operacionales a controlar ............................ - 46 -
4.5.1
La importancia del pH:...................................................................... - 47 -
4.5.2
Los Nutrientes ................................................................................... - 47 -
4.5.3
Temperatura y tiempo de retención................................................... - 48 -
4.5.4
Agitación o mezclado:....................................................................... - 49 -
4.5.5
Otros parámetros: .............................................................................. - 49 -
CAPITULO 5: DISEÑO DEL PROCESO ANAERÓBICO ................................. - 51 5.1.
Introducción .......................................................................................... - 51 -
5.2.
Normas de diseño .................................................................................. - 53 -
CAPITULO 6: PARAMETRIZACIÓN DEL DIGESTOR ................................... - 57 6.1.
Análisis previo ...................................................................................... - 57 -
6.2.
Dimensionamiento del digestor............................................................. - 58 -
6.3.
Producción de gas ................................................................................. - 60 -
6.4.
Estudio energético ................................................................................. - 61 -
6.4.1
Introducción ...................................................................................... - 61 -
-2-
6.4.2
Calentamiento de fangos ................................................................... - 61 -
6.4.3
Intercambiador .................................................................................. - 65 -
6.4.4
Caldera .............................................................................................. - 66 -
6.4.5
Gas en exceso .................................................................................... - 67 -
CAPITULO 7: CONCLUSIONES ........................................................................ - 71 7.1.
Conclusiones sobre los resultados......................................................... - 71 -
7.2.
Cumplimiento de objetivos ................................................................... - 72 -
CAPITULO 8: BIBLIOGRAFÍA........................................................................... - 73 -
-3-
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1: Cargas contaminantes afluente. .............................................................. - 17 Tabla 2: Cargas contaminantes afluente ............................................................... - 24 Tabla 3: Fangos retenidos en decantador 1º.......................................................... - 31 Tabla 4: Concentraciones DBO5 en decantación 1º ............................................. - 31 Tabla 5: Concentraciones sólidos en suspensión a T. Biológico .......................... - 32 Tabla 6: Cargas contaminantes de entrada y salida al reactor biológico .............. - 33 Tabla 7: Relación rendimiento proceso y CM ...................................................... - 34 Tabla 8: Fangos en exceso destinados al espesador.............................................. - 35 Tabla 9: Cargas contaminantes en salida de planta............................................... - 36 Tabla 10: Producción de fangos ............................................................................ - 36 Tabla 11: Tabla resumen espesamiento ................................................................ - 38 Tabla 12: Resultados mezcla de fangos ................................................................ - 40 Tabla 13: Datos diseño digestor ............................................................................ - 58 Tabla 14: Dimensiones de los digestores .............................................................. - 59 Tabla 15: Datos de partida .................................................................................... - 60 Tabla 16: Temperaturas de diseño ........................................................................ - 61 Tabla 17: Coeficientes de transferencia ................................................................ - 62 Tabla 18: Dimensiones digestor............................................................................ - 63 Tabla 19: Pérdidas en transferencia ...................................................................... - 64 Tabla 20: Demanda termina total .......................................................................... - 64 Tabla 21: Dimensionamiento energetico intercambiadores .................................. - 65 Tabla 22: Dimensionamiento energético Calderas ............................................... - 66 Tabla 23: Resultados eléctricos sin aislamiento.................................................... - 69 Tabla 24 Resultados eléctricos con aislamiento.................................................... - 70 Tabla 25: Resultados eléctricos............................................................................. - 72 -
-4-
ÍNDICE DE FIGURAS
Ilustración 1: Esquema funcional de la depuradora .............................................. - 28 Ilustración 2: Puntos de actuación de las bacterias ............................................... - 43 -
-5-
-6-
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 - 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
_____________________________________________________________________________________________
CAPITULO 1: INTRODUCCIÓN
1.1. Estado de la cuestión
1.1.1
Contexto general
Ante el aumento de la población mundial y el desarrollo energético actual, el
agua se presenta como un recurso a controlar. Desde la captación para el consumo
urbano hasta su retorno al medio natural se sigue un ciclo cerrado. En dicho ciclo, el
agua es sometida a distintos procesos como la captación, potabilización, transporte,
distribución, consumo, alcantarillado, depuración, reciclaje y retorno al medio
natural.
Para la correcta gestión del agua y la protección del medio ambiente es muy
importante un tratamiento previo al retorno a los ríos o mares. No evacuar el agua
residual de las zonas de consumo produce problemas estéticos, gases malolientes y
gases nocivos para la salud. Así pues, permitir una acumulación y estancamiento de
las aguas residuales implicaría un grave problema para la sociedad.
Con el fin de evacuar las aguas residuales y devolverlas al medio natural en
unas condiciones óptimas, se instalan las depuradoras. Este proyecto se centrará en el
diseño de una depuradora con el fin de estudiar los principales factores que afectan a
la producción de gas metano en el proceso de digestión anaeróbica.
Por otro lado, ante el cambiante entorno energético, se quiere realizar
hincapié en el posible reaprovechamiento energético mediante la producción de calor
y electricidad empleando como combustible en gas metano generado.
A partir del siglo XIX, el aumento del consumo del agua, ya sea para el
consumo de seres vivos (humanos, animales, plantas, etc…) o para el consumo
industrial, implicó una mayor concienciación en el desarrollo de técnicas para el
saneamiento del agua residual y su entrono.
Actualmente, los países desarrollados, o en proceso de desarrollo, regulan los
vertidos en ríos, mares o lagos de aguas residuales. En España la Directiva
91/271/CEE impone una serie de calidades al agua retornada al medio natural.
-7-
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 – 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
__________________________________________________________________________________
En este contexto, distintas empresas centran su actividad en el desarrollo y
construcción de plantas depuradoras que poco a poco aumentan en rendimiento.
Estas empresas se encuentran investigando continuamente para solventar los distintos
problemas que aparecen con la industrialización y el desarrollo de la sociedad.
Dichos problemas son principalmente los siguientes:
•
Aumento de la población
•
Continua expansión industrial
•
Canalización de aguas pluviales y productos químicos en el campo
•
Falta de efectividad de los procesos de tratamiento.
Aparecen nuevas tecnologías centradas principalmente en aumentar la
efectividad de los procesos pero también en reutilizar en mayor grado lo que años
antes se consideraban desechos o se quemaba. Este reaprovechamiento energético se
centra principalmente en la introducción de procesos de cogeneración, pilas de
combustible, reutilización de los lodos y la reutilización de las aguas para actividades
que no precisen una gran calidad.
1.1.2
Antecedentes
El tratamiento y control de las aguas residuales comienza en la antigüedad
con la recogída y drenaje de las aguas pluviales. Hasta el siglo XIX no se empieza a
recoger aguas residuales. En la segunda mitad del siglo XIX se plantea la teoreía del
germen por parte de Koch y Pasteur. En ella se relacionan los contaminantes de las
aguas residuales con muchas de las enfermedades de la época.
Con el aumento de la población y de la industria con la revolución industrial
creciente, los problemas sanitarios y medioambientales crecen notablemente. Pese a
ello, no es hasta finales del siglo XX cuando se introducen sistemas de tratamiento de
aguas residuales y más tarde sistemas de eficiencia energética.
-8-
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 – 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
__________________________________________________________________________________
1.1.3
Actualmente
Desde finales del siglo pasado, el la complejidad y desarrollo de las plantas
depuradoras se ha visto incrementada notoriamente. Actualmente, se realizan las
operaciones unitarias (fenómenos físicos) y los procesos unitarios (fenómenos
químicos) conjuntamente en los tres tratamientos de una depuradora: primario,
secundario y terciario.
En estos tres tratamientos se desempeñan operaciones físicas de
sedimentación, desengrasado-desarenado, desbaste, etc (procesos destinados al
pretratamiento del agua para mejorar la eficiencia del proceso completo), así como la
eliminación de la materia orgánica mediante los decantadores primario y/o
secundario entre otros procesos biológicos y químicos. Además, para completar el
proceso, se prepara el agua para su vertido al medio natural eliminando el nitrógeno,
el potasio y otros elementos [7].
Con el aumento del consumo de agua al incrementarse la población, las
fuentes naturas de agua no llegan para cubrir la demanda. Se observa la necesidad de
explotar nuevos yacimientos y depurar las aguas residuales devolviéndolas al ciclo
del agua procurando una perturbación al medio natural lo menor posible.
Las cifras son alarmantes [7]. 2000 millones de personas no disponen de un
tratamiento del agua residual. En Europa un 30% de la población no está conectada a
ninguna depuradora. Además, en muchas ocasiones el agua que retorna a la
naturaleza lo hace en pésimas condiciones.
Es por ello que las normativas sobre el uso, gestión y tratamiento de aguas se
han visto modificadas en todo el mundo. Esta es la causa por la que se produce un
incremento en la instalación de plantas depuradoras para tratar aguas residuales
urbanas e industriales.
Es importante resaltar el alto coste que supone estos cambios en las
normativas. No todas las empresas o instituciones públicas pueden asumir dichos
costes. La solución adoptada es la reconversión de las depuradoras existentes
completándolas con la introducción de nuevos tratamientos o instalando de sistemas
de aprovechamiento energético y de mejora de eficiencia.
-9-
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 – 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
__________________________________________________________________________________
1.1.4
Evolución futura
Las evoluciones en las directivas pretenden mejorar el control de la
contaminación con el fin de proteger los recursos naturales y el medio ambiente. Para
el cumplimiento de la normativa, es necesaria una mejora continua en la que la
evolución constante de la tecnología debe cubrir el cambio del entorno.
El panorama futuro para el tratamiento de aguas presenta una serie de
características que determinan la evolución tecnológica [1]:
•
Naturaleza cambiante del agua residual
•
Incremento de los residuos industriales
•
Efectividad de los procesos y de los sistemas de depuración
•
La importancia de la salud y el medio ambiente.
•
Presencia de aguas pluviales y fuentes no localizadas de contaminación
•
Nuevas operaciones de tratamiento, procesos y conceptos
El crecimiento de la población y el cambio es sus costumbres implican un
mayor consumo de aguas y la presencia de nuevos contaminantes, es decir, se
produce un aumento considerable del caudal a tratar y la necesidad de introducir
nuevas tecnologías de depuración
Por otro lado, se observa un incremento de los residuos industriales en las
aguas de alcantarillado urbano. Es importante el control legal y tecnológico de esta
situación. Las aguas con presencia de contaminantes industriales así como la
presencia de aguas provenientes de otros focos contaminantes no localizados
implican procesos de depuración significativamente distintos siendo muy costosa la
depuración del agua residual “mixta”.
Las instituciones que velan por la salud pública presionan en gran medida a
los responsables públicos y empresas por la instalación de procesos de tratamiento de
aguas. Dicha presión implica un incremento de los costes por lo que se presenta un
gran problema al no poder asumirlos. El incremento actual de procesos
energéticamente efectivos permite la viabilidad de un proyecto de saneamiento y
regeneración del medio natural y de las fuentes naturales de aguas a nivel mundial.
- 10 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 – 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
__________________________________________________________________________________
1.2. Motivación
Es evidente la necesidad de la construcción de depuradoras para el
tratamiento del agua residual. Por esa razón, se desarrolla un proyecto en el que se
analiza una estación depuradora determinando los principales factores que afectan en
la producción de gas metano. Se trata de un proyecto de máxima actualidad y con
una previsión de futuro en la que la investigación juega un importante papel.
La motivación del proyecto reside en profundizar en la parametrízación de un
digestor anaeróbico para aguas residuales urbanas. El proyecto busca concretar las
relaciones existentes entre los parámetros de diseño por medio de la propia
parametrización de un digestor.
Así pues, no se trata solo de diseñar un tanque de digestión anaeróbica, sino
que se realizarán una serie de conclusiones en las que se deja patentes las relaciones
entre parámetros y la importancia de cada uno de ellos.
- 11 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 – 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
__________________________________________________________________________________
1.3. Objetivos del proyecto
El proyecto en cuestión persigue como objetivo principal el análisis técnico
de una estación de tratamiento de aguas con el fin de dimensionar los principales
parámetros que interviene en el proceso anaeróbico prestando especial atención a los
que afectan a la producción de biogás. Para determinar correctamente los factores
influyentes en la digestión anaeróbica será necesario realizar el estudio de todos los
procesos intermedios entre efluente y el digestor.
Este análisis implica el estudio exhaustivo del proceso digestivo así como de
las bases de diseño. Como se verá en el Capitulo 5, se trata de una serie de
parámetros normalizados a partir de la experiencia en el desarrollo de plantas
depuradoras de aguas residuales.
En el estudio de procesos intermedios no solo justifica las decisiones tomadas
en el diseño del digestor, sino que da una visión general de una planta depuradora
con el fin de comprender bien el proceso seguido para lograr satisfacer los objetivos
analíticos.
Así pues, para poder realizar un correcto estudio analítico del digestor
anaeróbico, se busca determinar los parámetros iniciales de partida en el diseño de
una depuradora empleando como base de estudio una depuradora real ya proyectada.
A partir de ahí, se estudian y se plantean las bases de diseño de los procesos
intermedios en la línea de agua y de fango necesarias.
Finalmente, el proyecto busca realizar un análisis de las relaciones existentes
entre los parámetros y valores desarrollados en el transcurso del diseño. Se pretende
estudiar los parámetros directamente relacionados con el proceso de digestión y con
la producción energética.
Para ello se realiza un estudio energético en el que se valoraran las dos
principales soluciones de aprovechamiento energético: aislamiento del digestor y
aprovechamiento del gas en exceso. Se trata de determinar como influyen los
parámetros de diseño en las necesidades de calor y en la producción de energía
buscando los valores óptimos de los parámetros buscando la mayor eficiencia
energética
- 12 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 – 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
__________________________________________________________________________________
En resumen, los objetivos perseguidos por el proyecto se esquematizan a
continuación por orden de importancia:
•
Conocimiento profundo del proceso digestivo.
•
Dimensionamiento de un digestor
o Estudio de las bases de diseño.
•
Análisis de las relaciones entre parámetros para:
o Determinar los parámetros que influyen en la digestión.
o Determinar los parámetros que intervienen en la producción
energética
o Valores óptimos de los parámetros buscando la mayor eficiencia
energética.
•
Conocimiento general de una depuradora
•
Determinación de los parámetros iniciales de partida en el diseño de una
depuradora basándose en una depuradora proyectada.
•
Diseño funcional de los procesos intermedios en la línea de agua y de fango
necesarias para dimensionar el digestor.
- 13 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 – 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
__________________________________________________________________________________
1.4. Metodología: Solución desarrollada
Los objetivos principales planteados tienen un rasgo en común en la
necesidad de diseñar un digestor anaeróbico. Como se verá más tarde, las
características del efluente determinan la disposición funcional de la planta
obligando a situar el digestor anaeróbico en la línea de fangos.
Partiendo de los datos proporcionados por la empresa Aguas de Jerez, se
plantean las bases del diseño del digestor, siendo necesario realizar el estudio
funcional de los procesos intermedios al digestor.
Una vez obtenidos las características de los fangos de entrada al digestor se
realiza el dimensionamiento de éste. La bibliografía estudiada fija una serie de
parámetros. Se estandariza el dimensionamiento del digestor, de fagos procedentes
de aguas urbanas, gracias a la experiencia en el diseño del mismo.
En el Capitulo 5 y 6 se observará que fijados las bases de diseño e impuestas
las limitaciones técnicas, el dimensionado del digestor que determinado por dos
grados de libertad: el número de digestores unitarios a instalar y la posibilidad de
instalar aislamiento térmico en la superficie del digestor. Una vez resuelta la
parametrización se obtienen unos resultados que se analizarán como conclusiones.
- 14 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 – 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
__________________________________________________________________________________
CAPITULO 2: ESTUDIO DE AGUAS RESIDUALES
El análisis de las características de las aguas residuales y las posteriores aguas
tratadas es imprescindible para el diseño de la planta. El correcto conocimiento de
los caudales de agua a tratar, así como la composición de las aguas es determinante y
un error en el cálculo de las mismas supone el incumplimiento de la normativa
vigente.
Por otro lado, para determinar la idoneidad de los procesos seleccionados es
necesario conocer dichas características. En este capitulo, se plantean las bases de las
posteriores justificaciones.
2.1. Características del afluente
Las principales características del efluente a estudiar son: población, caudal,
dotación y cargas contaminantes. Para el correcto dimensionado de la planta no solo
es necesario conocer los valores de dichas características, que se pueden considerar
como datos de partida, sino que también sería necesario conocer la evolución de las
mismas para evitar la obsolescencia precoz de la planta depuradora.
Dado que uno de los objetivos del proyecto consiste en realizar un análisis de
los factores determinantes en la producción de metano para su posterior
aprovechamiento en procesos de cogeneración se intenta obtener resultados
relevantes de producción de biogás. Por esa razón, se propone el estudio de la
depuradora de aguas residuales “Guadalete”. Los valores se extraen de la
información ofrecida por la empresa Aguas de Jerez en su página web.
En la EDAR de Jerez se tratan todas las aguas residuales urbanas que se
generan en la ciudad de Jerez y núcleos de población próximos, tal y como
Guadalcacín, Estella, Garciagos, Los Albarizones, La Corta y El Portal. Se trata de
un planteamiento ideal al no haber contaminantes de origen industrial que puedan
desvirtuar los resultados de generación de biogás.
- 15 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 – 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
__________________________________________________________________________________
2.1.1
Población de diseño
Aguas de Jerez informa que la depuradora es diseñada para una población de
691.200 habitantes equivalentes. El concepto de habitante equivalente es el usado
para calcular la población de diseño. Se trata de una forma de expresar la
concentración de la materia orgánica en las aguas residuales. En el apartado 2.1.3 se
profundiza más en el concepto de habitante equivalente al calcular el caudal medio
de diseño.
Como ya se ha mencionado, sería necesario realizar un estudio de la
evolución de la población afectada por factores estaciónales y demográficos. Se
deben conocer las previsiones de expansión futuras con el fin de realizar las hipótesis
pertinentes de crecimiento. Para la depuradora de Jerez, los datos obtenidos fueron
empleados para el diseño de la planta, por lo que ya se tiene en cuenta en ellos los
factores evolutivos.
2.1.2
Cargas contaminantes afluente
Los factores contaminantes del agua bruta son determinantes en el diseño de
una depuradora y han de ser conocidas de la forma más fiable posible. Los
principales parámetros a conocer son:
•
Sólidos en suspensión: Corresponden a las materias sólidas de tamaño
superior a 1 µm, independientemente de que su naturaleza sea orgánica o
inorgánica.
•
D.B.O.5 (Demanda biológica o bioquímica del oxígeno): Mide la cantidad de
oxígeno que necesitan los microorganismos del agua para estabilizar esa agua
residual, en un periodo normalizado de 5 días. Cuanto más alto es el valor, peor
calidad tiene el agua.
•
D.Q.O. (Demanda Química de Oxígeno): Es el oxígeno equivalente necesario
para estabilizar la contaminación que tiene el agua.
•
Nitrógeno: Las formas predominantes de nitrógeno en el agua residual son las
amoniacales (amonio-amoniaco), nitrógeno orgánico, nitratos y nitritos.
•
Fósforo: Se encuentra presente bien como fósforo total, bien como ortofosfato
disuelto.
- 16 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 – 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
__________________________________________________________________________________
En la siguiente tabla se muestran los valores de los cinco parámetros
destacando los dos primeros, Sólidos en suspensión y DBO5, ya que serán los
determinantes para el dimensionamiento del digestor anaeróbico.
Dichos parámetros, al igual que la población de diseño, han sido obtenidos
directamente de los parámetros de diseño de la depuradora planteada. El caudal
necesario para determinar la masa de contaminantes se obtiene en función de los
habitantes equivalentes.
Concentración (mg/l)
kg. Totales al día
S.S.T
250
26.000
DBO5
400
41.600
DQO
521
78.000
N
60
6.240
P
10
1.040
Tabla 1: Cargas contaminantes afluente.
- 17 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 – 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
__________________________________________________________________________________
2.1.3
Caudal de diseño
En la determinación de la población de diseño se utiliza el concepto de
habitante equivalente. El concepto de habitante equivalente está definido en la
DIRECTIVA 91/271/CEE como la carga orgánica biodegradable con una demanda
bioquímica de oxigeno de cinco días, DBO5, de 60 (gr/hab.eq./día). Se puede
entender como una forma de expresar la concentración de la materia orgánica en las
aguas residuales de tal forma que se asigna una concentración de contaminación a
cada habitante. De esta forma se consigue incluir en la población de diseño todos los
contaminantes posibles, ya sean los normalizados para una zona urbana como los
posibles contaminantes químicos-industriales. Por lo tanto, la población final de
diseño será mayor que la real ya se mayorizan los posibles contaminantes.
Como se menciona en los dos puntos anteriores, se parte de los datos
facilitados por Aguas de Jerez. Estos datos son la población equivalente y las cargas
contaminantes del agua bruta.
El procedimiento normal sería obtener el valor del caudal medio de diseño a
partir de la población real y los datos de consumo del ayuntamiento en los que se
supondría que lo que se consume llega a la depuradora. El caudal se obtendría
multiplicando una dotación típica de 200 l/hab/dia por el número de habitantes.
En este caso, al darnos los habitantes equivalentes necesitamos calcular el
caudal de agua que se necesita para que dadas unas cargas contaminantes
determinadas se de servicio a la población equivalente.
En la Tabla 2 se muestran los resultados de diseño obtenidos en la que se
añade el valor del caudal medio obtenido a partir del población equivalente y las
cargas contaminantes así como la dotación en habitantes equivalentes.
Población de diseño (hab. eq.)
Dotación (l/hab. eq./día)
Dotación (gr DBO5/Hab.eq/d)
693.333
150
60
400
Concentración DBO5
104.000
Q medio (m3/día)
Tabla 1: Caudal de diseño
- 18 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 – 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
__________________________________________________________________________________
2.2. Características del efluente
2.2.1
Directiva sobre tratamiento de aguas residuales urbanas
Las características del afluente vendrán dadas por la normativa vigente
DIRECTIVA 91/271/CEE sobre el tratamiento de las aguas residuales urbanas. En
los siguientes cuadros mostramos lo dictado por dicha directiva en las páginas 40 a la
52 en los artículos 4 y 5. Se presta especial atención a lo referido al control de los
valores de Sólidos en suspensión y DBO5.
- 19 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 – 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
__________________________________________________________________________________
Cuadro 1: Requisitos por los vertidos procedentes de instalaciones de
tratamiento de aguas residuales urbanas sujetos a lo dispuesto en los artículos 4 y 5
de la presente Directiva. Se aplicará el valor de concentración o el porcentaje de
reducción.
Parámetros
Concentración
Porcentaje mínimo de
reducción (1)
Método de medida de
referencia
Demanda bioquímica
de oxígeno (DBO 5 a
20 ºC) sin
nitrificación (2)
25 mg/l O2
70-90
40 de conformidad con el
apartado 2 del artículo 4
Muestra homogeneizada,
sin filtrar ni decantar.
Determinación del oxígeno
disuelto antes y después de
5 días de incubación a 20
ºC ± 1 ºC, en completa
oscuridad. Aplicación de
un inhibidor de la
nitrificación
Demanda química de
oxígeno (DQO)
125 mg/L
75
Muestra homogeneizada,
sin filtrar ni decantar.
Dicromato potásico
90 (3)
90 de conformidad con el
apartado 2 del artículo 4
(más de 10 000 e-h)
70 de conformidad con el
apartado 2 del artículo 4
(de 2 000 a 10 000 eh)
— Filtración de una
muestra representativa a
través de una membrana de
filtración de 0,45 micras.
Secado a 105 ºC y pesaje
— Centrifugación de una
muestra representativa
(durante 5 minutos como
mínimo, con una
aceleración media de 2 800
a 3 200 g), secado a 105 ºC
y pesaje.
Total de sólidos en
suspensión
35 mg/l (3)
35 de conformidad con el
apartado 2 del artículo 4
(más de 10 000e-h)
60 de conformidad con el
apartado 2 del artículo 4
(de 2 000 a 10 000 eh)
(1) Reducción relacionada con la carga del caudal de entrada.
(2) Este parámetro puede sustituirse por otro: carbono orgánico total (COT) o
demanda total de oxígeno (DTO), si puede establecerse una correlación entre DBO
5 y el parámetro sustitutivo.
(3) Este requisito es optativo.
Los análisis de vertidos procedentes de fosos de fermentación se llevarán a cabo
sobre muestras filtradas; no obstante, la concentración de sólidos totales en
suspensión en las muestras de aguas sin filtrar no deberán superar los 150 mg/l.
- 20 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 – 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
__________________________________________________________________________________
Cuadro 2: Requisitos para los vertidos procedentes de instalaciones de
tratamiento de aguas residuales urbanas realizados en zonas sensibles propensas a
eutrofización tal como se identifican en el punto A. a) del anexo II. Según la
situación local, se podrán aplicar uno o los dos parámetros. Se aplicarán el valor de
concentración o el porcentaje de reducción.
Parámetros
Concentración
Porcentaje mínimo de
reducción (1)
Método de medida de
referencia
80
Espectrofotometría de
absorción molecular
70-80
Espectrofotometría de
absorción molecular
2 mg/l (de 10 000
a 100 000 e-h)
Fósforo total
1mg/l (más de
100 000 e-h)
15 mg/l (de 10 000
a 100 000 e-h) (3)
Nitrógeno total (2)
10mg/l (más de 100
000 e-h) (3)
(1) Reducción relacionada con la carga del caudal de entrada.
(2) Nitrógeno total equivale a la suma de nitrógeno Kjeldahl total (N orgánico y
amoniacal), nitrógeno en forma de nitrato y nitrógeno en forma de nitrito.
(3) Estos valores de concentración constituyen medias anuales según el punto D.4.c)
del anexo I. No obstante, los requisitos relativos al nitrógeno pueden comprobarse
mediante medias diarias cuando se demuestre, de conformidad con el punto D.1 del
anexo I, que se obtiene en mismo nivel de protección. En ese caso, la media diaria
no deberá superar los 20 mg/l de nitrógeno total para todas las muestras, cuando la
temperatura del efluente del reactor biológico sea superior o igual a 12 ºC. En
sustitución del requisito relativo a la temperatura, se podrá aplicar una limitación
del tiempo de funcionamiento que tenga en cuenta las condiciones climáticas
regionales.
- 21 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 – 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
__________________________________________________________________________________
2.2.2
Determinación de zonas sensibles y menos sensibles:
A. Zonas sensibles:
Se considerará que un medio acuático es zona sensible si puede incluirse en
uno de los siguientes grupos:
Lagos de agua dulce naturales, otros medios de agua dulce, estuarios y aguas
costeras que sean eutróficos o que podrían llegar a ser eutróficos en un futuro
próximo si no se adoptan medidas de protección. Podrán tenerse en cuenta los
siguientes elementos en la consideración del nutriente que deba ser reducido con un
tratamiento adicional:
Lagos y arroyos que desemboquen en lagos/embalses/bahías cerradas que
tengan un intercambio de aguas escaso y en los que, por lo tanto, puede producirse
una acumulación. En dichas zonas conviene prever la eliminación de fósforo a no ser
que se demuestre que dicha eliminación no tendrá consecuencias sobre el nivel de
eutrofización. También podrá considerarse la eliminación de nitrógeno cuando se
realicen vertidos de grandes aglomeraciones urbanas.
Estuarios, bahías y otras aguas costeras que tengan un intercambio de aguas
escaso o que reciban gran cantidad de nutrientes. Los vertidos de aglomeraciones
pequeñas tienen normalmente poca importancia en dichas zonas, pero para las
grandes aglomeraciones deberá incluirse la eliminación de fósforo y/o nitrógeno a
menos que se demuestre que su eliminación no tendrá consecuencias sobre el nivel
de eutrofización.
Aguas dulces de superficie destinadas a la obtención de agua potable que
podrían contener una concentración de nitratos superior a la que establecen las
disposiciones pertinentes de la Directiva 75/440/CEE del Consejo, de 16 de junio de
1975, relativa a la calidad requerida para las aguas superficiales destinadas a la
producción de agua potable en los Estados miembros (1), si no se toman medidas de
protección.
Zonas en las que sea necesario un tratamiento adicional al establecido en el
artículo 4 para cumplir las directivas del Consejo.
B. Zonas menos sensibles:
Un medio o zona de agua marina podrá catalogarse como zona menos
sensible cuando el vertido de aguas residuales no tenga efectos negativos sobre el
medio ambiente debido a la morfología, hidrología o condiciones hidráulicas
específicas existentes en esa zona.
Al determinar las zonas menos sensibles, los Estados miembros tomarán en
consideración el riesgo de que la carga vertida pueda desplazarse a zonas adyacentes
y ser perjudicial para el medio ambiente. Los Estados miembros reconocerán la
existencia de zonas sensibles fuera de su jurisdicción nacional.
- 22 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 – 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
__________________________________________________________________________________
Para determinar las zonas menos sensibles se tendrán en cuenta los siguientes
elementos:
Bahías abiertas, estuarios y otras aguas costeras con un intercambio de agua
bueno y que no tengan eutrofización o agotamiento del oxígeno, o en las que se
considere que es improbable que lleguen a desarrollarse fenómenos de eutrofización
o de agotamiento del oxígeno por el vertido de aguas residuales urbanas.
- 23 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 – 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
__________________________________________________________________________________
2.2.3
Características finales del efluente
El afluente se sitúa en el Río Guadaléte. Se trata de una zona de tipo A (zona
sensible) por lo que fijando las concentraciones del afluente por la citada en la
normativa, las cargas contaminantes quedan de la siguiente manera:
Rendimientos
Concentración
Kg
(%)
(mg/l)
Totales al dia
Eliminación S.S.T
92,22
35
3938,305
Eliminación DBO5
93,75
25
2813,075
Eliminación DQO
83,33
125
14065,375
Eliminación N
83,33
10
1125,23
Eliminación P
90
1
112,523
Tabla 2: Cargas contaminantes afluente
- 24 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 – 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
__________________________________________________________________________________
CAPITULO 3: ELEMENTOS FUNCIONALES
En este capitulo se desarrollan los elementos funcionales de una depuradora
de aguas residuales. Se trata de realizar una explicación general del proceso completo
para enmarcar el contexto y obtener los datos necesarios para el estudio del digestor
anaeróbico.
En la primera parte del capitulo se plantea la estructura básica de la
depuradora necesaria para cumplir con los requerimientos de la normativa y la
estabilización y gestión de los lodos.
La segunda parte realiza una introducción a los elementos de la depuradora
necesarios para obtener los datos de partida en el dimensionamiento y análisis
energético del digestor anaeróbico.
3.1. Estructura de las instalaciones
3.1.1
Elementos de la línea de agua
De una forma genérica la línea de agua de una depuradora de aguas residuales
urbanas está constituida por los siguientes elementos:
•
Desbaste
•
Pretratamiento:
o Desarenadores – desengrasadotes
•
Decantación primaria
•
Reactor biológico de media carga
•
Decantación secundaría
•
Cloración
- 25 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 – 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
__________________________________________________________________________________
Desbaste:
Tiene como objetivo la retención de sólidos gruesos. Consiste en la estalación
de rejas o tamices en serie distribuidos en diferentes canales dotados cada uno de
ellos de aislamiento por compuertas y sistemas de recogida de residuos.
Pretratamiento: Desarenadores – desengrasadores:
El objetivo de los desarenadotes y los desengrasadores es el eliminar las
materias pesadas con tamaño de grano mayor de 200 micras y las grasas, aceites,
espumas y materias flotantes mas ligeras evitando que intervengan en procesos
posteriores. Se pretende proteger equipos, que pueden ser dañado por procesos
abrasivos, y evitar la sedimentación de arenas.
Decantación primaria:
Se trata de eliminar los sólidos en suspensión por medio de la acción de la
gravedad. Los sólidos en suspensión se clasifican en sólidos sedimentadles, flotantes
y sólidos coloidales.
En este proceso se extraerán gran cantidad de los sólidos en suspensión y por
arrastre de estos también se produce una notable eliminación de DBO5.
Reactor biológico de media carga
Consiste en un espacio en el que se convierte la materia orgánica disuelta en
flóculos y en sólidos orgánicos, ambos productos sedimentables en el decantador
secundario.
Decantación secundaría:
Elemento complementario del reactor biológico destinado a sedimentar los
productos generados en dicho proceso.
Cloración:
Proceso de desinfección previo al afluente. Consiste en añadir hipoclorito de
sodio al agua clarificada del decantador secundario.
- 26 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 – 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
__________________________________________________________________________________
3.1.2
Elementos de la línea de fangos
La línea de fangos tiene como principal función el acondicionamiento de los
fangos extraídos en la línea de aguas. Una vez mezclados los fangos, originados en
la decantación primaria y en el reactor biológico-decantación secundaria, estos son
estabilizados en el digestor anaeróbico eliminando los patógenos extraídos de la línea
de aguas. Tras la digestión de los fangos, se realiza un proceso de acondicionamiento
de los mismos para su posterior deshidratación y transporte.
Así pues, los elementos que constituyen la línea de fangos son los siguientes:
•
Espesamiento por gravedad
•
Flotación por flotación
•
Mezclado de fangos
•
Digestión anaeróbica: estabilización de fangos
•
Acondicionamiento de fangos
•
Deshidratación
- 27 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 - 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Ilustración 1: Esquema funcional de la depuradora
- 28 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 - 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
______________________________________________________________________________________________
3.2. Justificación datos de partida
Para el diseño del digestor anaeróbico, objeto del proyecto, es necesario
obtener el caudal y concentración de los fangos de llegada al digestor a partir de las
cargas contaminantes del efluente y de la normativa vigente.
Así pues, es necesario estudiar los procesos intermedios que intervienen lo
cuales se enumeran a continuación:
•
Línea de aguas:
o Decantación primaria
o Reactor biológico
•
Línea de fangos:
o Espesado por gravedad
o Espesado por flotación
o Fangos mixtos
- 29 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 - 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
_________________________________________________________________________________________________
3.2.1
Decantación primaria
En la decantación primaria se van a retirar los sólidos en suspensión, sólidos
sedimentables, flotantes y parte de los sólidos coloidales, mediante la acción de la
gravedad. Los sólidos sedimentan rápidamente por efecto de la gravedad. En esta
este proceso, se arrastran elementos biológicos eliminando una gran cantidad de
DBO5.
Los rangos de eliminación de sólidos en suspensión y de DBO5 [4] se
encuentran entre el el 50 y el 70 % para sólidos en suspensión y entre el 25 y el 40 %
para DBO5 para decantadores correctamente dimensionados y explotados.
Para el cálculo de la masa de fangos obtenidos en el decantador primario, se
suele considerar al menos tres sumandos [4]:
•
Peso total de fangos producidos por eliminación o decantación de sólidos en
suspensión
+
•
Peso de fangos producidos por precipitación química (Habrá de calcularse en
función de los elementos que se hayan pretendido eliminar (fósforo por
ejemplo)).
+
•
Retorno de fangos biológicos en exceso (Se obtendrán en el estudio del
biológico).
En el caso concreto que nos atañe, la adición de fangos por precipitación
química y los fangos en exceso retornados se van a considerar nulos al no ser objeto
del posterior análisis.
- 30 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 - 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
_________________________________________________________________________________________________
Por otro lado, los fangos retenidos en el decantador se obtienen a partir del
peso de sólidos en suspensión de entrada en la depuradora, valor obtenido en el
¡Error! No se encuentra el origen de la referencia., al que se le aplica un
rendimiento de eliminación de sólidos en suspensión del 60%, valor que está dentro
de márgenes citados anteriormente. Los resultados se resumen en la siguiente tabla.
Peso diario de entrada (kg/día)
26.000
Fangos retenidos (kg/día)
15.600
Adición de fangos por F.Q. (kg/día)
0
Fangos en exceso retornados (kg/día)
0
Fangos totales retenidos (kg/día)
15.600
Tabla 3: Fangos retenidos en decantador 1º
Para el posterior cálculo de la masa de fangos en exceso producidos en el
reactor biológico, es necesario obtener los valores relacionados con la concentración
de DEO5.
El rendimiento fijado de eliminación de DBO5 es del 30%. A partir del peso
diario de entrada de DBO5 al día se obtiene, multiplicando por 0,3, el peso de DBO5
retenido en los fangos, y en consecuencia, el peso de DBO5 en agua destinada al
tratamiento biológico.
La concentración de DBO5 del agua destinada al tratamiento biológico se
obtiene del cociente entre el peso de DBO5 en agua a tratamiento biológico y el
caudal de agua a tratar.
En la siguiente tabla se resumen los resultados obtenidos
Peso DBO5 diario de entrada (kg/día)
41.600
Peso DBO5 retenido (kg/día)
12.480
Peso DBO5 en agua a T. Biolg. (kg/día)
29.120
Concent. en DBO5 agua a T. Biolg. (mg/l)
Tabla 4: Concentraciones DBO5 en decantación 1º
- 31 -
280
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 - 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
_________________________________________________________________________________________________
Por otro lado, también es necesario determinar el peso de sólidos en
suspensión así como la concentración de SS con destino el reactor biológico:
Peso de SS diario de entrada (kg/día)
26.000
Fangos totales retenidos (kg/día)
15.600
Peso en S.S. en agua a T. Biolg. (kg/día)
10400
Concent. en SS agua a T. Biolg. (mg/l)
100
Tabla 5: Concentraciones sólidos en suspensión a T. Biológico
- 32 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 - 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
_________________________________________________________________________________________________
3.2.2
Reactor biológico
Teniendo en cuenta que la concentración de DBO5 tras la decantación
primaria asciende a 280 mg/l y que el caudal de agua a tratar es de 104.000 m3/dia,
la carga diaria de DBO5 a tratar será de 29.120 Kg/dia.
Por otro lado, si la concentración final, concentración del efluente, se marca
por la normativa en 25 mg/l, la carga aguas arriba de planta es de 2.600 Kg/dia
cumpliéndose así la DIRECTIVA 91/271/CEE.
En la siguiente tabla se muestran las cargas contaminantes entrantes y finales
del proceso necesarias para el cálculo de la masa de fangos en exceso.
Concentración
Carga diaria
Rendimiento
(mg/l)
(Kg/dia)
proceso (%)
SS entrada r. biológico
100
10.400
-
DBO5 entrada r. biológico
280
29.120
-
SS salida r. biológico
35
3.640
65
DBO5 salida r. biológico
25
2.600
91,07
Tabla 6: Cargas contaminantes de entrada y salida al reactor biológico
La CM viene representada por el cociente entre la cantidad de DBO que se
introduce en el sistema por día y la masa de microorganismos existentes en el
reactor. Es la relación entre alimentación por día (materia orgánica biodegradable)
que entra en el reactor y biomasa que se tiene en el sistema.
Como se muestra en la bibliografía [4] los diferentes procesos biológicos se
pueden clasificar en función de la carga másica de la siguiente manera:
•
Alta carga, cuando CM > 0,5.
•
Media carga, para CM entre 0,5 y 0,2.
•
Baja carga, cuando CM< 0,2.
- 33 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 - 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
_________________________________________________________________________________________________
Por otro lado, la relación existente entre la carga másica y el rendimiento del
proceso en aguas tipo urbano o similares, viene reflejado en la tabla incluida a
continuación.
Rendimiento proceso
CM
(%)
(Kg DBO/d) / Kg MLSS
87
0,5
88
0,4
90
0,3
92
0,2
93
0,1
94
0,01
Tabla 7: Relación rendimiento proceso y CM
Así pues, interpolando en la Tabla 7: Relación rendimiento proceso y CM con
el valor del rendimiento del proceso de eliminación de DBO5 (Tabla 6: Cargas
contaminantes de entrada y salida al reactor biológico) obtenemos una carga másica
de 0,25 (Kg DBO/d) / Kg MLSS. Según la clasificación dada en la bibliografía
corresponde a un reactor biológico de media carga.
El conocimiento de la producción diaria de fango es importante puesto que
afecta al diseño de las instalaciones de tratamiento y evacuación del fango en exceso
(purga).
Una parte de la materia orgánica eliminada por el sistema se utiliza en la
síntesis de nuevos microorganismos, lo que supone la generación de sólidos en
suspensión, eliminados como fangos en la decantación secundaria y que para
mantener el sistema en equilibrio hay que purgar del sistema.
Los fangos a purgar diariamente coinciden con la biomasa generada en dicho
periodo de tiempo, una vez que el sistema está en equilibrio.
- 34 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 - 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
_________________________________________________________________________________________________
La cantidad de fangos a purgar, puede determinarse mediante la fórmula
empírica de Huisken, que se indica a continuación:
IPF ( Kg / d ) = 1, 2 × CM
0 , 23
Donde:
IPF = Índice producción de fangos teórico (Kg fangos/Kg DBO5 eliminados)
CM = Carga másica
Finalmente los fangos en exceso obtenidos en el proceso biológico se pueden
obtener con la siguiente expresión:
FE ( Kg / dia ) = IPFA × (DBOe − DBOs )
Donde:
FE = Fangos en exceso (Kg/día).
IPFA = Índice producción de fangos adoptado (Kg fangos/Kg DBO5 eliminados).
DBOe = DBO5 de entrada del reactor.
DBOs = DBO5 de salida del reactor.
Los resultados finales se muestra en la siguiente tabla:
Indice producción de fangos teóricos (Kg fangos/Kg DBO5 elim)
0,87
Indice producción de fangos adoptado (Kg fangos/Kg DBO5 elim)
0,90
23.868
Fangos en exceso (Kg/día)
Tabla 8: Fangos en exceso destinados al espesador
- 35 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 - 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
_________________________________________________________________________________________________
COMPROBACIÓN CARGAS CONTAMINANTES
Como ya se ha indicado en el apartado anterior, el dimensionamiento del
reactor biológico se realiza teniendo en cuenta el rendimiento determinado a partir de
la DIRECTIVA 91/271/CEE. Por esa razón aseguramos los resultados en lo que a
Sólidos en suspensión y DBO5 se refiere. El resto de contaminantes no se analizan al
no participar en la obtención de los datos de partita para el posterior
dimensionamiento del reactor anaeróbico objeto del proyecto.
Eliminación SS
Eliminación DBO5
Rendim.
Concentración
Salida Planta
%
mg/l
Kg/día (Qm)
65
35
3.640
91,07
25
2.600
Tabla 9: Cargas contaminantes en salida de planta
PRODUCCIÓN TOTAL DE FANGOS
Finalmente, los fangos provienen de los dos procesos de la línea de aguas:
Decantador primario (fangos primarios) y proceso biológico (Fangos Biológicos) son
los siguientes.
Kg Fangos retenidos en D1º (Kg/día)
15.600
Kg Fangos Biológicos en Exceso (Kg/día)
23.868
Tabla 10: Producción de fangos
- 36 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 - 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
_________________________________________________________________________________________________
3.2.3
Espesamiento
Los fagos obtenidos en la decantación primaria y en el proceso biológico se
caracterizan por unas concentraciones en sólidos en suspensión muy bajas. Al poseer
bajas concentraciones los volúmenes de trabajo en la digestión y posteriores trabajos
de acondicionamiento serían muy grandes.
Con el fin de disminuir dichos volúmenes se realiza un proceso de
espesamiento (por flotación o gravedad) en el que se concentran los lodos. Como se
verá en posteriores capítulos, la disminución del volumen está directamente
relacionada con la disminución de necesidades energéticas en el digestor anaeróbico
por calentamiento de fangos.
Otras ventajas del proceso de espesamiento son la disminución del consumo
de productos químicos previos a la estabilización y la mejora de los rendimientos del
proceso de deshidratación.
En las plantas urbanas de gran tamaño, los fangos procedentes de decantación
primaria se espesan por gravedad, mientras que los fangos biológicos lo hacen por
flotación.
ESPESADO POR GRAVEDAD
Los fangos destinados al proceso de espesamiento son aquellos que provienen
de la decantación primaria. El proceso de espesado por gravedad guarda numerosas
similitudes con los tanques de sedimentación convencionales (decantación primaria).
El fango sedimenta y compacta en tanques circulares siendo extraído por la parte
inferior del tanque.
El proceso consiste en remover el fango lentamente mediante unos rascadores
que realizan unos canales que favorecen a la densificación. Se produce un
sobrenandante que se recircula al decantador primario o al afluente.
El digestor anaeróbico tiene unas necesidades concretas de fango, es decir,
suele ser necesario un caudal constante de fangos por lo que el fango extraído del
espesado se bombea a un tanque de almacenamiento previo en el que se mezclará
con los fangos espesados por flotación.
Del decantador primario se extraen un total de 15.600 Kg/dia (valor obtenido
en el apartado 3.2.1). Conociendo la concentración de fangos, valor que suele estar
entre el 5% y el 8%, se puede calcular el volumen de fango espesado por gravedad.
- 37 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 - 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
_________________________________________________________________________________________________
En los cálculos se ha optado por un valor de concentración típico del 4% que
pasado a mg/l es de 40000 mg/l. Finalmente, aplicando la Ecuación 1 se obtiene un
volumen de fangos de salida del espesador por gravedad de 390 (m3/día).
 Kg .Fangos _ retenidos _ D1º ( Kg / día ) 
 × 1000
Vol _ salida = 
Concentración _ fangos (mg / l )


Ecuación 1
ESPESAMIENTO POR FLOTACIÓN
Los fangos tratados por flotación provienen del Tratamiento Biológico. El
proceso consiste en introducir aire a una determinada presión en la solución. Al
despresurizar la solución el aire disuelto se libera en forma de burbujas arrastrando el
fango hasta la superficie.
La masa de fangos a tratar por flotación, valor calculado en el apartado 3.2.2,
es de 23.868 Kg/dia.
Para cálculos posteriores será necesario obtener el volumen de fangos
obtenidos. Se necesita fijar la concentración de fangos a la salida del proceso de
flotación el cual varía entre el 3% y el 3.5%. Asumiendo una concentración dentro
del rango del 3% (30.000 mg/l) se obtiene aplicando la Ecuación 1 un volumen de
fangos de salida de 796 (m3/dia).
En la siguiente tabla se muestra un resumen de los resultados obtenidos en el
proceso de espesamiento de fangos.
Por gravedad
Por flotación
Total de fangos a espesamiento (Kg/día)
15.600
23.868
Concentración de fangos espesados (%)
4,00
3,0
40.000
30.000
390
796
Concentración de fangos espesados (mg/l)
Volumen de salida (m3/dia)
Tabla 11: Tabla resumen espesamiento
- 38 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 - 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
_________________________________________________________________________________________________
3.2.4
Mezcla de fangos mixtos
Para el posterior dimensionamiento y estudio energético del digestor
anaeróbico (principal objetivo del proyecto desarrollado) es necesario determinar el
caudal final de fangos a digerir, siendo este la suma de los obtenidos en el
espesamiento por gravedad y flotación, y la masa de fangos orgánicos totales que
llegan al digestor.
Como se desarrollará en el apartado de producción de gas metano, es
importante obtener la masa de materia volátil (fangos orgánicos) ya que será a partir
de la estabilización de los fangos orgánicos se obtiene biogás.
Así pues, es necesario fijar las concentraciones de materia volátil de los
fangos espesados por gravedad y por flotación respectivamente.
Respecto al espesamiento por gravedad, el porcentaje de materia orgánica
contenida en los fangos varía entre el 60 y 70%. Por el contrario, los fangos
espesados por flotación contienen entre un 70 y 80% de materia orgánica. En el
proyecto se asumirá concentraciones del 60% y 80% fangos orgánicos espesados por
gravedad y por flotación respectivamente.
Además, como se verá en la Tabla 12, la concentración de los fangos mixtos
obtenida está dentro de los valores tabularos en la bibliografía entre 65 y 75% de
materia orgánica.
- 39 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 - 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
F. espesados por Gravedad
F. espesados por Flotación
F. mixtos
Peso de fangos espesados (Kg/día)
15.600
23.868
-
% Mv en fangos espesados
60,00
80,00
72
Fangos orgánicos en fangos espesados (Kg/m3)
9.360
19.094
28.454,4
390
796
1.185,6
Caudal de fangos espesados (m3/día)
Tabla 12: Resultados mezcla de fangos
- 40 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 - 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
_________________________________________________________________________________________________
CAPITULO 4: DESCRIPCIÓN DEL PROCESO ANAERÓBICO
4.1. Objetivos del proceso Anaeróbico
Los fangos extraídos de la línea de aguas o las aguas residuales con una alta
carga de contaminantes se caracterizan por una alta concentración de materia
orgánica. El proceso anaeróbico estabiliza los fangos convirtiéndolos en un producto
preparado par su transporte. Por otro lado, la digestión anaeróbica elimina los
numerosos patógenos presentes en los fangos.
Las principales ventajas e inconvenientes se enumeran a continuación [4].
Ventajas:
•
Facilita la deshidratación.
•
Producción de biogás utilizado como combustible.
•
Proceso desarrollado en tanques cerrados evitando la presencia de olores.
•
Eliminación de patógenos.
Inconvenientes:
•
Instalación más cara.
•
Proceso sensible a los factores ambiéntales.
•
Altos tiempos de retención
- 41 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 - 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
_________________________________________________________________________________________________
4.2. Microbiología del proceso
El proceso anaeróbico se caracteriza por la dificultad en controlar las
diferentes inercias químicas. Se producen tres fases consecutivas de degradación en
la que intervienen cinco poblaciones de microorganismos diferentes. La citada
dificultad en el control de inercias reside en las diferentes velocidades de crecimiento
de los microorganismos y el los diferentes comportamientos a los cambiantes estados
químicos del entorno. Las tres fases del proceso de estabilización son las siguientes:
•
Hidrólisis: Se produce la transformación de compuestos de elevado peso
molecular en compuestos que pueden servir como fuentes de energía siendo
el producto final ácidos orgánicos volátiles.
•
Acidogénesis: Conversión bacteriana de los compuestos producidos en la
primera etapa en compuestos intermedios identificables de menor peso
molecular.
•
Metanogénesis: Conversión bacteriana de los productos intermedios en
productos finales más simples, produciendo por un lado una gasificación en
la que se emite dióxido de carbono y metano y por otro mineralización, en la
que la materia orgánica soluble es también descompuesta obteniéndose un
producto final inerte.
- 42 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 - 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
_________________________________________________________________________________________________
Por otro lado, las bacterias que intervienen en el proceso son las siguientes:
1. Bacterias formadoras de ácido
2. Bacterias acetogénicas
3. Bacterias homocetogénicas
4. Bacterias hidrogenofilicas
5. Bacterias acetoclasticas
La siguiente figura muestra la microbiología del proceso indicando los puntos
en los que actúan las bacterias.
Ilustración 2: Puntos de actuación de las bacterias
- 43 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 - 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
_________________________________________________________________________________________________
4.3. Producción de metano
Previamente, se debe convidar que la DQO es un parámetro conservativo: lo
que entra debe ser igual a la suma de las DQO de salida. Es decir:
DQO inf luente = DQOefluente + DQObiogás
El proceso de digestión produce biogás. Dicho biogás se compone por metano
(CH4) y por dióxido de carbono (CO2). Sabiendo que la DQO del CO2 es cero, la
DQO que se elimina en el digestor corresponde a la DQO generada como metano, lo
cual significa 2,857 kg DQO por m3 CH4, ó 0,35 m3 de CH4 por kg de DQO
eliminada, a P=1 at y T=oC, ó 0,38 m3 de CH4 a P=1 at y 25oC.
La producción de metano presenta una clara ventaja frente a los procesos
aeróbicos. La generación energética correspondiente al metano es de 3,5 KWh por
cada kg de DQO eliminada. Por otro lado, los procesos aeróbicos necesitan consumir
1KWh por Kg de O2 consumido.
Así pues, la producción de biogás va a estar determinada por la cantidad de
gas producido por Kg de sólidos volátiles eliminados y por la reducción de sólidos
volátiles. Como ya se ha mencionado el volumen producido de gas por Kg de sólidos
volátiles eliminado varía entre 750 y 1120 l/Kg
- 44 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 - 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
_________________________________________________________________________________________________
4.4. Digestores anaeróbicos:
Ya sea por su sencillez o por su versatilidad, los tres tipos de digestores más
importantes son los siguientes:
•
Digestión convencional
•
Digestión de una fase y alta carga
•
Digestión en dos fases
El digestor a destacar por su importancia en el proyecto es el digestor en dos
fases. Se trata de un digestor combinado con un segundo tanque de digestión en
serie. El primer tanque se emplea como digestor principal en el que se produce la
mayor parte de la estabilización. El segundo digestor desempeña funciones
digestivas, control de condiciones fangos y de almacenamiento de biogás. El segundo
tanque permite la obtención de un sobrenadante clarificado que es bombeado aguas
debajo de la depuradora. Normalmente, ambos digestores se dimensionan idénticos
con el fin de emplear uno u otro en el caso de mantenimiento o avería.
La digestión convencional consiste en realizar todo el proceso digestivo en
una fase, es decir, los fangos se digieren, se espesan y se forman sobrenandantes a la
vez. El proceso inicia con la introducción del los fangos crudos en la zona activa del
digestor. El gas producido en la digestión asciende arrastrando partículas de fangos y
otros materiales. Se presentan una serie de inconvenientes tales como la
estratificación del proceso. Junto a este fenómeno, la ausencia de mecanismos de
mezclado dificultan el control de la digestión resultando un modelo desechado.
Por último, la digestión de una fase y alta carga se diferencia del
convencional en la carga de sólidos a controlar. Con el aumento de las cargas
contaminantes se precisa sistemas de mezclado por medio de gas.
- 45 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 - 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
_________________________________________________________________________________________________
4.5. Parámetros ambientales y operacionales a controlar
En el proceso biológico descrito en el punto anterior se producen una serie de
reacciones que en ausencia de oxigeno se ven influenciadas por factores ambientales
y factores de operación. Dichos factores determinarán las condiciones de
funcionamiento del digestor y su eficiencia.
Parámetros ambientales:
•
pH.
•
Alcalinidad.
•
Potencial Redox.
•
Nutrientes.
•
Tóxicos e inhibidores.
Parámetros operacionales:
•
Temperatura.
•
Agitación.
•
Tiempo de retención.
•
Velocidad de carga orgánica.
A continuación se desarrollan los cuatro parámetros más importantes para el
proyecto analizando su importancia en el proceso.
- 46 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 - 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
_________________________________________________________________________________________________
4.5.1
La importancia del pH:
Para el correcto desarrollo del proceso de digestión es importante mantener
un equilibrio entre las actividades de las dos poblaciones bacterianas (producción y
consumo de ácidos).
Realizando la citada distinción entre los dos tipos de bacterias presentes en el
proceso de digestión (bacterias formadoras de metano y las formadoras de ácidos)
hay que buscar el equilibrio controlando el pH de la mezcla. Las bacterias
formadoras de metano se caracterizan por un pH óptimo comprendido entre 6,8 y 7,4
aunque admite valores funcionales entre 6,8 y 7,8. Es importante resaltar que para
valores de pH inferiores a 6,2 el desarrollo bacteriano se inhibe totalmente. Así pues,
es importante controlar la presencia de elementos inhibidores en el proceso.
Por otro lado, las bacterias formadoras de ácidos se desarrollan en valores de
pH más amplios y actúan como inhibidores de las formadoras de metano al provocar
un descenso del valor de pH.
4.5.2
Los Nutrientes
Las aguas residuales a estabilizar se caracterizan por una composición
orgánica compleja imposibilitando actuar sobre ellas para controlar la alimentación
bacteriana. Para asegurar el alimento de las bacterias es necesario actuar sobre la
concentración de las aguas entrantes y sobre la frecuencia de entrada en el digestor.
Para ello se realiza un proceso de realimentación en el que los lodos sobrantes en el
segundo deposito se recirculan a entrada del digestor manteniendo constante la
cantidad de nutrientes. Además la recirculación de lodos supone un descenso
exponencial de la carga contaminante.
- 47 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 - 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
_________________________________________________________________________________________________
4.5.3
Temperatura y tiempo de retención
El tiempo de retención es el cociente entre el volumen y el caudal de
tratamiento, es decir, el tiempo medio de permanencia del influyente en el reactor,
sometido a la acción de los microorganismos [1]. Notar que existe un tiempo mínimo
por debajo del cual el reactor no presenta actividad, que la eliminación de materia
orgánica sigue una tendencia asintótica, con una eliminación completa a tiempo
infinito, y una producción de gas por unidad de volumen de reactor con un máximo
para un tiempo de retención correspondiente a una eliminación de substrato entre el
40 y el 60%.
La temperatura está estrechamente relacionada con el tiempo de retención.
Las tasas de crecimiento aumentan con el aumento de la temperatura. El problema
reside en el aumento de la sensibilidad de las bacterias a los inhibidores como el
amoniaco. Los rangos de temperatura en los que se puede trabajar son:
•
Psicrofílico (temperatura ambiente).
•
Mesofílico (temperaturas en torno a los 35 oC).
•
Termofílico (temperaturas en torno a los 55 oC).
- 48 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 - 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
_________________________________________________________________________________________________
4.5.4
Agitación o mezclado:
Ya se ha mencionado la necesidad de mantener un entorno constante dentro
del digestor. Para lograrlo es necesario transferir al sistema el nivel de energía
necesario para favorecer la transferencia de alimento a las bacterias y mantener
constantes las concentraciones medias bajas de inhibidores manteniendo un fango
homogéneo.
4.5.5
Otros parámetros:
Respecto a los cinco parámetros restantes, las principales características son
las siguientes:
•
Velocidad de carga orgánica: Es la cantidad de materia orgánica introducida
por unidad de volumen y tiempo. Valores bajos implican baja concentración
en el influente y/o elevado tiempo de retención.
•
Tóxicos e inhibidores: su concentración ha de ser la mínima posible.
•
Alcalinidad: Hay que asegurar la capacidad tampón y evitar la acidificación.
Es recomendable una alcalinidad superior a 1,5 g/l CaCO3.
•
El Potencial Redox: Los valores recomendables deben ser inferiores a -350
mV.
- 49 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 - 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
_________________________________________________________________________________________________
- 50 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 - 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
_________________________________________________________________________________________________
CAPITULO 5: DISEÑO DEL PROCESO ANAERÓBICO
5.1. Introducción
Los conceptos y conocimientos descritos hasta ahora no eran conocidos en el
pasado. Por esa razón, la forma tradicional de diseño de los digestores a sido
empleando los siguientes métodos empíricos en los que el objetivo es obtener el
volumen necesario del tanque de digestión.
1. Uso de factores de carga volumétricos.
2. Reducción de volumen.
3. Factores de carga basados en la población
4. Tiempo medio de retención celular.
Las depuradoras que tratan aguas industriales fuertemente cargadas deben ser
diseñadas a partir de la carga másica de diseño y de la carga orgánica que llega al
digestor, el cual se sitúa en la línea de aguas o en la de fangos en función de su
relación DBO5 – DQO.
Por otro lado, dada la experiencia existente en el tratamiento de aguas
residuales urbanas, el diseño del digestor anaeróbico de este tipo de depuradoras
debe partir del tiempo de retención.
Tiempo medio de retención celular.
Considerando que las bacterias necesitan un determinado tiempo para
reproducirse y adaptar su población a la cantidad de materia orgánica que entra en el
digestor manteniendo la actividad del mismo, se considera el tiempo de retención
como un parámetro fundamental a tener en cuenta.
Así pues, podemos definir el tiempo de retención como el tiempo que la masa
de microorganismos permanece en el sistema. Como se puede ver en la siguiente
expresión, se determina dividiendo el total del volumen del digestor entre la cantidad
de sólidos que se extraen en la unidad de tiempo [2].
- 51 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 - 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
_________________________________________________________________________________________________
Vd = Tr × Qfs
Siendo:
Vd = Volumen de digestión (m3).
Tr = Tiempo de retención de sólidos.
Qfs = Caudal de fango a digerir (sólidos extraídos de la línea de aguas por
unidad de tiempo).
Como veremos en el punto siguiente, el tiempo de retención de sólidos oscila,
trabajando en régimen mesofílico, entre 30 y 60 días para digestión convencional y
entre 15 y 20 días para digestión de alta carga como es el caso planteado en el
proyecto.
Una vez planteados los conceptos teóricos, se pueden fijar las bases de diseño
en función a las cuales se justificarán las decisiones tomadas y se analizarán los
factores determinantes en la producción de biogás y en el aprovechamiento
energético.
En los siguientes puntos, se desarrollan las normas de diseño estandarizadas
para el tratamiento de fangos extraídos de aguas residuales urbanas. Por otro lado, en
el siguiente capitulo se realiza la parametrización del digestor incluyendo el estudio
de producción energética en exceso.
- 52 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 - 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
_________________________________________________________________________________________________
5.2. Normas de diseño
En el proceso de estabilización de fangos procedentes de aguas residuales
urbanas se suele emplear digestores de mezclar completa o alta carga. Generalmente
se emplean dos etapas como se describe a continuación:
•
Primera etapa (digestor primario): Digestor de mezcla completa, con sistemas
de agitación y calentamiento de fangos. Se suele eliminar el 90% de los
sólidos volátiles eliminados en el proceso completo.
•
Segunda etapa (digestor secundario): Su función es la de finalizar el proceso
de digestión eliminando el resto de sólidos volátiles, espesado de los lodos y
la extracción de líquido clarificado, el cual se retorna a la línea de aguas.
Carece de agitación y calefacción y se suele emplear como almacenamiento
de fango y gas gracias a la instalación de techo flotante.
El dimensionamiento del proceso digestivo cuenta con una importante
cantidad de parámetros y características constructivas a controlar. Dada la gran
experiencia en el diseño de plantas de depuración de aguas residuales urbanas, se
pueden fijar algunos de estos parámetros de forma estandarizada dependiendo del
país o zona geográfica. A continuación se describen las bases de diseño más
importantes las cuales son coherentes con la teoría descrita en el CAPITULO 4.
Los parámetros fijados a destacar son los siguientes. Se trata de valores
obtenidos en la bibliografía [4].
•
Temperatura. 34 -38°C (asumimos 35ºC)
•
Tr hidráulica digestor primario 20 días (experiencia)
•
Tr hidráulica digestor secundario 6-10 días
•
Nº de intercambiadores = número de digestores + 1
•
Nº de calderas = dos calderas con capacidad mayorizada en un 25%.
•
Generación de gas: 900 l/Kg de VSS eliminados
•
Eliminación sólidos volátiles 45-50%
•
Poder calorífico del biogás 5.000-5.500 Kcal/m3
- 53 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 - 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
_________________________________________________________________________________________________
Tiempo de retención y temperatura de digestión: Como se ha indicado, el tiempo de
retención hidráulico para un digestor que trabaje a una temperatura entre 34 y 38°C
(régimen mesofílico) es de 20 días para el primario y de 6 días para el secundario.
Es habitual el empleo de digestores secundarios en los que se realiza la misma
instalación de sistemas de agitación, calefacción, etc. que permita su utilización
como primario en caso de que uno de estos se encuentre fuera de servicio.
Intercambiadores: Se utilizará un cambiador de calor principal (para calentamiento
del fango de alimentación al sistema de digestión) y tantos intercambiadores
secundarios como digestores (para compensar las perdidas de calor a través de las
paredes del equipo y circuitos).
Calderas: El número de calderas a instalar será de dos y con una capacidad mayorada
entre un 20 y un 30% de las necesidades energéticas reales.
Generación de gas y eliminación de sólidos volátiles: Se trata de valores típicos
basados en la experiencia. En el capitulo siguiente se expondrá sus características.
Por otro lado, se presenta dos límites constructivos
•
Alturas de digestor de hasta 20 m.
•
Diámetros de digestor de 20 a 35m.
A demás, tras el estudio de diversa bibliografía y observación de otros
proyectos construidos se determina unos límites aproximados de capacidad térmica
para intercambiadores y calderas de 375000 Kcal/h y 700000 Kcal/h
respectivamente.
Finalmente, la parametrización deja dos grados de libertad con el fin de
maximizar la eficiencia energética partiendo de las características contaminantes del
afluente.
•
Nº de digestores
•
Posibilidad aislar las paredes del digestor.
Como se verá en el Capitulo 6, estos dos parámetros influyen directamente en
todos los valores del diseño. Por esa razón, la parametrización debe hacerse teniendo
en cuenta los balances energéticos para comprobar si es preciso el aislamiento de los
digestores, y en consecuencia disminuir las perdidas de calor de los mismos, y
determinar el número de digestores a instalar.
- 54 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 - 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
_________________________________________________________________________________________________
Otras normas de diseño a tener en cuenta pero menos determinantes en la
parametrización son las siguientes [4].
•
Los digestores son tanques cerrados, en España habitualmente de forma
cilíndrica y de mayor diámetro que altura, construidos en hormigón.
Generalmente se construye enterrados en el suelo. La profundidad del líquido
no debe ser inferior a 7,5 m, y puede llegar a ser de 14 m o más. La cubierta
debe ser de forma troncocónica o en forma de cúpula. Respecto al fondo del
tanque, este debe tener forma cónica con pendiente hacia el cuenco de
extracción de fangos para minimizar la acumulación de arenas y para reducir
las necesidades de limpieza de los digestores. Si son de pequeño tamaño se
pueden construir en acero al carbono, en este caso deberán disponer de
aislamiento para evitar pérdidas importantes de calor.
•
Se deben controlar los parámetros descritos en el Capitulo 3. De estos valores
depende la viabilidad y la actividad del proceso digestivo. En el laboratorio se
controlas la alcalinidad, ácidos volátiles, concentración de sólidos en
suspensión, etc. En la propia planta se deben controlar el nivel de fangos,
presión, temperatura, pH, etc..
•
Las cubiertas de los digestores dependerán de su utilidad. La cubierta de los
digestores primarios será fija al no cumplir funciones de almacenamiento. Por
lo contrario, los digestores secundarios cuentan con cubierta flotante con el
fin de almacenar fangos y gas.
Dado que la planta depuradora en estudio es de grandes dimensiones, se
introduce un sistema de aprovechamiento energético del gas en exceso. A demás de
lo citado con anterioridad, las bases de diseño respecto al proceso de recuperación de
energía son las siguientes [4].
• Sistema de utilización de combustible alternativo al biogás para la puesta en
marcha o funcionamiento cuando por fallo en el sistema no se genere gas o bien no
disponga de la calidad precisa.
• En plantas muy grandes el gas se puede emplear en motogeneradores, obteniendo
energía eléctrica, y aprovechado el calor de refrigeración y de los gases de escape
para calefacción de los digestores.
- 55 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 - 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
_________________________________________________________________________________________________
- 56 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 - 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
_________________________________________________________________________________________________
CAPITULO 6: PARAMETRIZACIÓN DEL DIGESTOR
6.1. Análisis previo
Como ya se planteó en el Capitulo 5, la parametrización completa del digestor
está condicionada por una serie de normas de diseño y por unos valores límite
constructivos.
Partiendo de dichos parámetros, además de los establecidos por el efluente, se
busca obtener un valor máximo de biogás producido. Para ello se cuenta con dos
grados de libertad: el número de digestores y la conveniencia de aislar el digestor.
La posibilidad de aislar el digestor diminuyendo las perdidas producidas en
las paredes del mismo mejoraría la eficiencia del sistema por lo que las necesidades
de calor disminuirían notablemente y en consecuencia aumentaría el volumen de gas
producido. Como se verá en el apartado 6.4.5, en el que se evalúa la producción de
gas en exceso, las necesidades de calor y la producción de gas del digestor aislado
respecto al no aislado son notorias.
El otro grado de libertad a estudiar es el número de digestores empleados. De
este parámetro dependen todos los valores de diseño del digestor. De su influencia se
destacan varios aspectos:
1. El número de digestores determina el volumen unitario de los digestores y
en consecuencia, el diámetro de los mismos dada una altura fija.
2. Al aumentar el número del número de digestores implica un aumento de
la superficie de total de contacto con el exterior, en consecuencia, un
aumento del número de digestores aumenta las pérdidas por transferencia
de superficies bajando la producción de biogás.
3. El aumento de perdidas supone que un aumento en el número de
digestores implica calderas e intercambiadores mayores.
Una vez realizada la parametrización del digestor se determina que el número
de digestores a instalar es de 3 o 4. Las características de las calderas y de los
intercambiadores no varían lo suficiente como para ser determinante. Por el
contrario, las características constructivas del digestor, así como la producción de
gas, sí se ven afectadas en consideración.
Por otro lado, observando diversa bibliografía se determina que los valores
obtenidos para 4 digestores son más coherentes. Así pues, se opta por fijar el número
de digestores en 4 e introducir un aislamiento al digestor.
- 57 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 - 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
_________________________________________________________________________________________________
Independientemente del número de digestores, la instalación de aislamiento al
digestor hace viable el proyecto al conseguir unos resultados de producción de
biogás acordes con los límites constructivos.
6.2. Dimensionamiento del digestor
En la taba siguiente se muestran los valores normalizados u obtenidos en
capítulos anteriores necesarios para la obtención del volumen total de digestión.
Temperatura de Digestión (ºC)
35
Tiempo de retención (Dias)
20
Altura del digestor (m)
20
Volumen de fangos a digestión (m3/día)
1.185,6
Tabla 13: Datos diseño digestor
Aplicando como método de cálculo del volumen de digestor el “Tiempo
medio de retención celular.”, el volumen total de fango a digerir queda determinado
por la multiplicación del tiempo de retención del fango (10 días) y el caudal de fango
a digerir.
Vd = Tr × Qfs
Siendo:
Vd = Volumen de digestión (m3).
Tr = Tiempo de retención de sólidos.
Qfs = Caudal de fango a digerir (sólidos extraídos de la línea de aguas por unidad
de tiempo).
- 58 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 - 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
_________________________________________________________________________________________________
Una vez fijado el número de digestores, el volumen unitario y las
dimensiones geométricas están determinadas con la seguridad del cumplimiento del
resto de restricciones.
Volumen de digestión Total(m3)
Volumen unitario de Digestión (m3)
23712
5928
20
Altura de Digestor (m)
Superficie de Digestor (m2)
296,4
9,71
Radio Digestor (m)
19,43
Diámetro Digestor (m)
Tabla 14: Dimensiones de los digestores
- 59 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 - 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
_________________________________________________________________________________________________
6.3. Producción de gas
A partir del porcentaje de eliminación de sólidos volátiles producida en la
digestión anaeróbica, se puede calcular la producción de biogás en la digestión. El
volumen de gas generado por Kg de sólidos volátiles eliminado suele estar entre 750
y 1120 l. La producción de gas no será constante y dependerá del contenido de
sólidos volátiles del fango crudo y de la actividad biológica del digestor. Un
momento critico en lo que a producción de gas se refiere, es la puesta en marcha del
sistema. En ella, se puede producir una excesiva producción de biogás causando la
formación de espumas que salen al exterior junto al gas por los bordes de las
cubiertas flotantes.
Otra forma de calcular la producción de gas es por medio de una relación
empírica aproximada, en base a la aportación por habitante, en la que se establece
una producción de entre 15 y 22 m3 de gas por cada 1000 habitantes al dia. Según
este criterio el biogás producido será aproximadamente 10.368 m3/día.
Así pues, la producción de biogás va a estar determinada por la cantidad de
gas producido por Kg de sólidos volátiles eliminados y por la reducción de sólidos
volátiles. Como ya se ha mencionado el volumen producido de gas por Kg de sólidos
volátiles eliminado varía entre 750 y 1120 l/Kg. Se asume un valor medio de 900
l/Kg. Por otro lado, como se puede ver en el capitulo anterior, la reducción de sólidos
volátiles suele estar entre el 45 y el 50%.
Además, es necesario conocer la masa de materia volátil que llega al digestor.
Dicho valor es obtenido en el CAPITULO 3: con un resultado de 28.454 Kg/dia.
A continuación se muestra una tabla con los datos de partida para el cálculo
de la producción de gas.
Producción de gas (l/Kg Sv eliminado)
Reducción de sólidos volátiles (%))
Kg M. volátil entrada a Digestión (Kg/día)
900
45
28.454
Tabla 15: Datos de partida
Para determinar el volumen de gas producido es necesario conocer
previamente la cantidad de materia volátil eliminada. Para ello, se aplica el
coeficiente de reducción de sólidos volátiles del 45% a la cantidad de materia volátil
que entra en el digestor. El resultado es de 17.500 Kg/dia de materia volátil
eliminada.
Conociendo la cantidad de materia volátil eliminada se puede determinar el
volumen de gas producido sabiendo que 1 kg de materia volátil produce 900 litros de
gas. Así pues, el volumen de biogas producido es de 15.750 m3/dia (en condiciones
normales, es decir a 25ºC y 1 atm).
- 60 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 - 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
_________________________________________________________________________________________________
6.4. Estudio energético
6.4.1
Introducción
En este capitulo se desarrolla uno de los objetivos más importantes del
proyecto. Los resultados presentados respaldan las decisiones tomadas y la validez
de la tecnología para los datos de partida propuestos.
Como ya se ha indicado, tras el dimensionamiento del digestor se evalúa la
producción de gas metano destinado al consumo propio en el calentamiento de los
fangos y a la venta del exceso como energía eléctrica. Los puntos siguientes
desarrollan un estudio energético en el que se evalúan los consumos en el digestor así
como las pérdidas de calor.
6.4.2
Calentamiento de fangos
El proceso de calentamiento de fangos controla la temperatura de entrada de
los mismos en el digestor. Se trata de un parámetro de vital importancia en el proceso
biológico en el que se consume la mayor parte de energía. Así pues, para realizar el
estudio de consumo energético, previamente hay que determinar las necesidades de
calor en el proceso de calentamiento de fangos.
Las necesidades de calor de un digestor anaeróbico van a depender en un
principio del caudal de fangos a calentar, de la geometría del digestor, las diferencias
de temperaturas trabajo - entorno y por los diferentes coeficientes de transferencia de
calor y pérdidas de las instalaciones. Además, la presencia de aislamiento en los
digestores modifica sensiblemente los resultados obtenidos respecto a los resultados
sin aislamiento.
La Tabla 16: Temperaturas muestra las temperaturas de diseño consideradas.
La temperatura de trabajo de 35ºC ya ha sido justificada en apartados anteriores. Por
otro lado, las temperaturas del entorno y de los fangos fríos han sido seleccionadas
en función de la bibliografía y teniendo en cuenta casos extremos.
Fangos calientes
35
Fangos frios (ºC)
15
Aire (ºC)
-5
Suelo (ºC)
5
35
Digestión (ºC)
Tabla 16: Temperaturas de diseño
- 61 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 - 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
_________________________________________________________________________________________________
Los coeficientes de transferencia mostrados en la Tabla 17 corresponden a los
coeficientes entre el hormigón y el aire o suelo. Dichas transferencias son la causa de
las pérdidas de calor en la superficie del digestor en contacto con el aire o el suelo.
Se trata de coeficientes tabulados y obtenidos de la bibliografía [1].
Sin aislamiento
Con aislamiento
2,4
2,4
Pared hormigón aire (Kcal/h/m2)
2
0,8
Pared hormigón suelo (Kcal/h/m2)
1,8
1,8
Fondo hormigón suelo (Kcal/h/m2)
1,2
1,2
1000
1000
Cubierta hormigón aire (Kcal/h/m2)
Coeficiente conduc. térmica (Kcal/m3/C)
Tabla 17: Coeficientes de transferencia
Una vez fijados los datos de partida, las necesidades energéticas para el
calentamiento de fangos y las necesidades por pérdidas en transferencia de
superficies se calculan aplicando las siguientes expresiones.
Necesidades energéticas para el calentamiento de fangos:
Las necesidades energéticas para el calentamiento de fangos se obtienen
mediante la siguiente expresión:
Calor _ calentamiento _ fangos = Qfs × C.cond .term. × ∆T
Donde:
Qfs = Caudal de fangos diarios (calculado en el apartado 2.3.4)
C.cond..term. = Coeficiente de conducción térmica (Kcal/m3/Cº) citado
anteriormente.
∆T = Diferencia de temperaturas entre fangos calientes (35ºC) y los fangos fríos
(15ºC).
Se obteniene un total de 23.712.000 Kcal/día.
- 62 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 - 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
_________________________________________________________________________________________________
Necesidades por pérdidas en transferencia de superficies:
En las pérdidas por transferencia de calor en las superficies es muy
importante evaluar las mismas para digestores con y sin aislamiento. Por otro lado, la
geometría del digestor, así como el número de digestores intervienen directamente en
la superficie total expuesta a aire o tierra. La
Tabla 18 muestran las dimensiones geométricas necesarias para determinar
las necesidades de calor por pérdidas.
4
N de digestores
19,43
Diámetro (m)
20
Altura (m)
Profundidad enterrada (m)
2
Tabla 18: Dimensiones digestor
Así pues, las perdidas por transferencia con las distintas superficies del
digestor se determinan a través de la siguiente expresión:
Perdidas _ transf _ sup erf = N × A × Ctransf . × ∆T
Donde
N = Número de digestores.
A = Superficie de contacto.
Ctransf. = Coeficiente de transferencia de la superficie en contacto (Tabla 17).
∆T = Incremento de temperatura
∆T = 35 - (-5 ) para superficie en contacto con el aire.
∆T = 35 – 5 para superficie en contacto con el suelo.
- 63 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 - 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
_________________________________________________________________________________________________
En la Tabla 19 se muestra un resumen de los resultados de las pérdidas totales
por transferencia con las superficies Por otro lado, en la Tabla 22 se muestran los
resultados de la demanda térmica final para el calentamiento de los fangos (suma de
las necesidades para el calentamiento y necesidades por perdidas).
Sin aislamiento
Con aislamiento
Pérdidas en cubierta (Kcal/h)
113.818
113.818
Paredes no enterradas (Kcal/h)
351.533
140.613
Paredes enterradas (Kcal/h)
26.365
26.365
Fondo cónico (Kcal/h)
42.682
42.682
Total perdidas Transferencia (Kcal/h)
534.398
323.478
Tabla 19: Pérdidas en transferencia
S/aislamiento
C/aislamiento
Necesidades para calentamiento fangos (Kcal/h)
988.000
988.000
Tótal de pérdidas por transferencias (Kcal/h)
534.398
323.478
1.522.398
1.311.478
Demanda Térmica total (Kcal/h)
Tabla 20: Demanda termina total
- 64 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 - 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
_________________________________________________________________________________________________
6.4.3
Intercambiador
Como norma de diseño se establece que se utilizará un cambiador de calor
principal (para calentamiento del fango de alimentación al sistema de digestión) y
tantos intercambiadores secundarios como digestores (para compensar las perdidas
de calor a través de las paredes del equipo y circuitos). Al emplear 4 digestores es
necesario instalar 5 intercambiadores.
Por otro lado, se asigna al intercambiador un rendimiento típico del 90%.
Teniendo en cuenta que se conoce la demanda térmica total, calculada en el apartado
anterior, se puede calcular la potencia necesaria de los intercambiadores
distinguiendo entre digestores aislados y no aislados.
La siguiente tabla muestra los resultados obtenidos.
Demanda térmica (kcal/h)
Rendimiento (%)
Calor necesario (kcal/h)
Capacidad unitaria (Kcal/h)
Sin aislamiento
Con aislamiento
1.522.398
1.311.478
0,90
0,90
1.691.553
1.457.197
338.311
291.439
Tabla 21: Dimensionamiento energetico intercambiadores
- 65 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 - 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
_________________________________________________________________________________________________
6.4.4
Caldera
El número de caldera a instalar está fijado por las normas de diseño. Se
instalan dos calderas y con una potencia mayorada entre el 20 y el 30%. Al igual que
en los intercambiadores, se fija un rendimiento 90%. Conocida la capacidad
energética necesaria, se le aplican los factores de capacidad mayorada y de
rendimiento para calcula la potencia unitaria de las dos calderas.
En la siguiente tabla se muestran los resultados obtenidos.
Sin aislamiento
Con aislamiento
Capacidad necesaria (kcal/h)
1.691.553
1.457.197
Incremento por pérdidas (Kcal/h)
1.879.503
1.619.108
469.876
404.777
Capacidad sobredimensionada (Kcal/h)
2.349.379
2.023.885
Capacidad unitaria (Kcal/h)
1.174.689
1.011.943
Incremento por capacidad (Kcal/h)
Tabla 22: Dimensionamiento energético Calderas
- 66 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 - 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
_________________________________________________________________________________________________
6.4.5
Gas en exceso
Una vez determinada la producción de biogás a partir de la eliminación de
materia orgánica y el consumo del mismo cubriendo las necesidades energéticas, se
puede calcular el gas en exceso empleado como combustible en un motogenerador.
A partir de la demanda térmica total de calor se puede calcular el consumo de
gas necesario dividiéndolo entre el poder calorífico fijado en el CAPITULO 5:. En la
siguiente tabla se muestran los resultados.
Sin aislamiento
Con aislamiento
Volumen de gas producido (Nm3/día)
11.524
11.524
Volumen de gas consumido (Nm3/día)
8.426
7.258,40
Volumen de gas en exceso (Nm3/día)
3.098
4.266
Tabla 25: Producción de gas en exceso
Para calcular la energía producida en la central en primer lugar recordamos
los valores de los parámetros de funcionamiento de la instalación. Estos son:
•
Capacidad calorífica del metano.
•
Rendimiento del grupo motogenerador.
El biogás extraído está compuesto principalmente por metano (entre el 65 y
70%), Anhídrido carbónico (entre el 25 y 30%) y el resto (vapor de agua, nitrógeno,
y pequeñas cantidades de sulfhídrico, amoníaco, etc). Un metro cúbico de metano, a
temperatura y presión normales, tiene un poder calorífico neto de 38.000 kJ. Como el
gas de digestión tiene un contenido en metano de aproximadamente un 65% su poder
calorífico se puede cifrar en, 22.400 kJ/m3. Comparativamente, el gas natural,
mezcla de metano, propano y butano, tiene un poder calorífico de 37.300 kJ/m3. El
poder calorífico del biogás en unidades de trabajo es de 5.354 Kcal/m3.
Respecto al grupo de generación eléctrica, se fija a partir del estudio de
distintas bibliografías un rendimiento del 35%.
- 67 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 - 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
_________________________________________________________________________________________________
En las tablas Tabla 23 y en la Tabla 24 se muestran los resultados finales del
estudio para digestores sin aislamiento y con aislamiento respectivamente. Los
resultados han sido obtenidos de la siguiente manera:
La producción térmica en exceso es resultado de la multiplicación del poder
calorífico del biogás por el caudal en exceso de biogás.
La potencia en exceso es la potencia “bruta” extraída del caudal en exceso. Al
multiplica ese valor por 0,35 se obtiene la potencia eléctrica para la que hay que
seccionar el generador.
Todos estos resultados serán analizados en el siguiente capitulo de
conclusiones.
- 68 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 - 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Kcal/h
KJ/h
Kw
Kwh
Volumen de gas en exceso (Nm3/d)
3.098,0
-
-
-
-
Poder calorífico metano (Kcal/m3)
5.354,0
-
-
-
-
35,0
-
-
-
-
Producción térmica en exceso
-
691.124,3
2.893.737,3
-
-
Potencia en exceso
-
-
-
803,8
-
Potencia eléctrica
-
-
-
281,3
-
Energía eléctrica
-
-
-
-
6.751,7
Rendimiento grupo (%)
Tabla 23: Resultados eléctricos sin aislamiento
- 69 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 – 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
________________________________________________________________________________________________
Kcal/h
KJ/h
Kw
Kwh
Volumen de gas en exceso (Nm3/d)
4.265,6
-
-
-
-
Poder calorífico metano (Kcal/m3)
5.354,0
-
-
-
-
35,0
-
-
-
-
Producción térmica en exceso
-
951.519,3
3.984.011,5
-
-
Potencia en exceso
-
-
-
1.106,6
-
Potencia eléctrica
-
-
-
387,3
-
Energía eléctrica
-
-
-
-
9.295,6
Rendimiento grupo (%)
Tabla 24 Resultados eléctricos con aislamiento
- 70 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 – 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
________________________________________________________________________________________________
CAPITULO 7: CONCLUSIONES
7.1. Conclusiones sobre los resultados
Los resultados obtenidos en el dimensionamiento del digestor se pueden
resumir en los siguientes aspectos:
•
Geometría y parámetros funcionales del digestor
•
Necesidades térmicas.
•
Capacidad necesaria de intercambiadores.
•
Capacidad necesaria de calderas.
•
Producción de gas – consumo de gas – gas en exceso.
•
Producción eléctrica.
En el desarrollo del proyecto se ha estudiado
Tras la parametrización del digestor, se obtiene que el número óptimo de
digestores es 4. La decisión fue tomada observando diferentes parámetros:
•
Volumen unitario.
•
Diámetro de unitario.
•
Minimizar de las necesidades térmicas por pérdidas.
•
Capacidad unitaria de intercambiadores.
•
Capacidad unitaria de caldera.
•
Variación en la producción de biogás en exceso.
El número de digestores influye directamente en las perdidas en la superficie.
Se puede observar como las variaciones en el número de digestores provoca
variaciones leves en la capacidad de la caldera y variaciones más importantes en la
de los intercambiadores. Dicho esto, el número óptimo de digestores sería 3.
Tras el estudio de la bibliografía y observando notables mejorías con la
introducción de aislamiento, se decide la instalación de 4 digestores obteniéndose
valores más coherentes y dentro de límites. Es cierto que el biogás producido es
menor, pero las variaciones en el mismo teniendo en cuenta la presencia de aislante
son despreciables frente a los beneficios constructivos.
- 71 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 – 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
________________________________________________________________________________________________
En la Tabla 25: Resultados eléctricos se muestra los resultados eléctricos
finales. Se puede observar los beneficios del digestor aislado frente al no aislado. Así
pues, la energía desarrollada por el sistema de regeneración energética es de 9.295,6
Kwh equivalente al consumo de 1150 familias de cuatro miembros La potencia del
generador a instalar será de 387,3 Kw. Ambos valores son típicos para las
características del agua bruta.
Sin aislamiento
Con aislamiento
691.124,3
951.519,3
Potencia eléctrica (Kw)
281,3
387,3
Energía eléctrica (Kwh)
6.751,70
9.295,60
Producción térmica en exceso (Kcal/h)
Tabla 25: Resultados eléctricos
7.2. Cumplimiento de objetivos
El proyecto cumple los objetivos establecidos en la introducción. En el
desarrollo del mismo se presta especial atención a los conceptos teóricos sobre
plantas depuradoras y en concreto sobre el proceso digestivo. Se pretende así,
justificar cada decisión tomada y cada resultado obtenido.
Por otro lado, se obtienen los valores necesarios para el correcto
dimensionamiento del digestor. Los cálculos funcionales realizados han sido
justificados en su apartado correspondiente y tienen como base la bibliografía
investigada.
A su vez, la bibliografía fija las bases de diseño y los parámetros de diseño. A
partir de ahí se llega a resultados energéticos coherentes y válidos. Así pues, el
proyecto se ha centrado en una parte muy importante del proceso de depuración. A
su vez, engloba todos los conocimientos necesarios para llegar a estos resultados
satisfactoriamente.
- 72 -
Proyecto de fin de carrera
Curso 2011 – 2012
Jorge Jesús Pérez Pichel
________________________________________________________________________________________________
CAPITULO 8: BIBLIOGRAFÍA
[1]
Tchobanoglous, G., Burton, F.L., “Ingeniería de aguas Residuales”, 2000.
[2]
Hernández, M., “Depuración de aguas residuales”, 1994.
[3]
Gonzalez Sainz, E., “Proyecto de estación depuradora de aguas residuales
urbanas para el municipio de Boñar (León)”, 2003.
[4]
IDAE (Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía), “Biomasa:
Digestores anaerobios”, 2007.
[5]
DIRECTIVA 91/271/CEE: Sobre el tratamiento de las aguas residuales
urbanas.
[6]
Sainz Saste, J.A., “Tecnologías para la sostenibilidad. Procesos y
operaciones unitarias de depuración de aguas residuales”, 2007.
[7]
Sanz Fernández, I., “Anales de mecanica y electricidad”, septiembreoctubre 2004.
[8]
Campello Lobo, J. “Instalación de una planta de aprovechamiento
energético de biogás de vertedero”.
[9]
Torres Rojo, J., Martín González, M., “Posibilidades de cogeneración
energética en la EDAR MURCIA ESTE”, Aguas de Murcia, Grupo Agbar.
[10]
Herrera Suárez, A., “Master de ingeniería del agua: Eliminación de lodos de
una EDAR”, 2003.
[11]
Aguas de Jerez: “ http://www.aguasdejerez.com/index.php?id=598 ”.
- 73 -