Estudio del incremento de la producción de biogás en la digestión

Tema C: Agua y Ciudad
Estudio del incremento de la producción de biogás en la
digestión anaerobia de fangos mixtos en la EDAR de
Cornellà de Terri (Girona) como consecuencia de la
degradación sónica de una fracción de los fangos
secundarios previa mezcla con el resto los mismos en la
alimentación al digestor
Oswald Garanto1, Gracia Silvestre2, Michelle Laureni2, August Bonmatí2
1
PASSAVANT ESPAÑA S.A., miembro de Asagua.
[email protected]
2
Giro Centre Tecnològic
august.bonmatí@giro.ct.irta.cat
1 Introducción
Las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDARs) con tratamiento intensivo mediante fangos activos, se
caracterizan por una alta eficiencia de depuración, un alto consumo energético, y la generación de un gran
volumen de fangos. La gestión y tratamiento de estos fangos tanto en su aspecto técnico, económico,
medioambiental, como legal, es uno de los elementos clave en la explotación de una EDAR; siendo prioritario su
reducción/minimización, así como la recuperación de productos valorizables y (bio)energía.
La producción anual de fangos en la Unió Europa está entre 20-40 kg materia seca (MS) per habitante
equivalente, con una producción superior a los 10 millones (Laturnus et al. 2007, Appels, 2008). Según el
Registro General de Lodos, en el Estado Español se producen anualmente aproximadamente 1.205 miles de
toneladas de MS y esta cifra puede aumentar de acuerdo con las previsiones de construcción de nuevas EDARs
(MMA, 2006).
El diagrama de flujo típico de una EDAR urbana está constituido habitualmente por un pre-tratamiento físico
(tamices, desarenador, y flotación de grasas), donde se eliminan las partículas inorgánicas y las grasas; un
tratamiento primario físico, donde se eliminan aproximadamente el 50-60% de los sólidos suspendidos y el 3040% de la DBO, y un tratamiento secundario biológico, donde se elimina el resto de la DBO. Los nutrientes,
nitrógeno (N) y fósforo (P), se eliminan de manera simultánea en el tratamiento secundario o en un tratamiento
terciario específico.
Tanto el tratamiento primario, como el secundario incluyen un clarificador (sedimentador) donde se separan
fangos de diferentes características. Los fangos primaros están constituidos principalmente por agua (97-99%) y
materia orgánica altamente biodegradable, mientras que los fangos secundarios están constituidos principalmente
por biomasa, con un contenido en agua del 98-99% (Metcalf & Eddy, 2003).
Los fangos separados de la corriente de agua a depurar, se tratan en la denominada línea de fangos. Esta tiene
como objetivo principal reducir el volumen de fangos a gestionar, degradar la materia orgánica más lábil para
estabilizarlos (e higienizarlos), y recuperar parte de la energía que contienen. Hay muchas alternativas posibles,
pero habitualmente encontramos sistema fisicoquímicos para concentrarlos, mecánicos para deshidratarlos,
térmicos para secarlos y biológicos (digestión anaerobia y/o compostaje) para estabilizarlos.
Los tres destinos finales más comunes de los fangos son su uso agrícola, el vertedero controlado y la
incineración; siendo la agricultura, previo compostaje o no, el destino más habitual en el Estado Español (64%)
(MMA, 2006). No obstante, la gestión de estos fangos está sometida a regulaciones cada vez más estrictas,
debido a la creciente preocupación sobre sus impactos ambientales y posibles efectos sobre la salud humana
(Aparicio, et al. 2009).
La gestión y tratamiento de los fangos significa alrededor del 50-60% de los costes de una EDAR (Feng et al.
2009, Vlyssides & Karlis, 2004). Así pues, es de gran importancia optimizar la línea de fangos, mejorando su
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deshidratabilidad, reduciendo su volumen, e incrementando la recuperación energética mediante la optimización
de la digestión anaerobia (pre-tratamientos, régimen de temperatura, configuración reactores, co-digestión, etc.).
2 Digestión anaerobia de fangos y su optimización
Del total de energía contenida en el agua residual en forma de materia orgánica (DBO), únicamente un 20% se
oxida a CO2 (en el tratamiento biológico secundario) y el resto es transfiere hacia la línea de fangos (Shizas &
Bagley, 2004). Mediante la digestión anaerobia, proceso microbiológico que en ausencia de oxigeno mineraliza
la materia orgánica produciendo biogás, el cual contiene entre un 60-70% de CH4 y un 30-40% de CO2, se puede
recuperar parte de la energía. Este proceso contribuye a una sustancial reducción de la masa original de los
fangos, a su estabilización e higienización y a una mayor deshidratabilidad. Además, la energía recuperada en
forma de biogás, reduce los requerimientos externos de energía y las emisiones de CO2, por substitución de
combustibles fósiles (Thiem, et al. 1997).
La producción de energía (metano) depende de la eliminación de materia orgánica de estos fangos, y ésta, a su
vez, depende de la fracción fácilmente degradable de los fangos, de las condiciones de operación del reactor
(temperatura, tiempo de retención, carga orgánica), y de la proporción de fangos primarios y secundarios.
Las características de los fangos primarios y secundarios son muy diferentes: los fangos primarios tienen una
concentración superior en materia orgánica fácilmente biodegradable, mientras que los secundarios tienen una
alta concentración en nutrientes, y la materia orgánica esta en forma de biomasa celular. A pesar de que la
digestión anaerobia de unos y otros se comporta muy diferente (Tabla 1), se acostumbra a digerir conjuntamente
aprovechando su complementariedad.
Tabla 1 Características de los fangos de depuración
Parámetro
DQO (g/gSV)
SV (%ST)
Potencial calorífico (kcal/kgST)
Producción de biogás (Nm3 /kgSVeliminados)
Eliminación de SV (%SV)
ST- sólidos totales; SV- sólidos volátiles
Fuente: Bolzonella, 2006
Fangos primarios
1,425
65-90
1.010-1.050
0,9
40-60
Fangos secundarios
1.628
55-90
1.000-1.050
0,3
20-40
La digestión conjunta de fangos se caracteriza por una baja eficiencia de eliminación de sólidos volátiles (SV) y
una baja producción de biogás, especialmente en EDARs que eliminen nutrientes (N y P), ya que los tiempos de
retención de los fangos son elevados (más de 10 días), la cual cosa hace que los fangos estén muy mineralizados
cuando lleguen a los digestores. Los valores típicos de producción de biogás por tonelada de fango fresco
espesado son de 5-12 m3/t (Bonmatí et al. 2009).
La etapa limitante de la digestión de fangos es la hidrólisis. La lisis de la materia orgánica particulada (biomasa),
es particularmente importante en los fangos secundarios, comportando largos tiempos de retención (20-30 días) y
consecuentemente grandes volúmenes de reactores. Para mejorar la biodegradabilidad de los fangos secundarios,
se han estudiado diversos pre-tratamientos que aceleran la hidrólisis mediante la rotura de la membrana celular
(Weemaes, & Verstreate, 1998).
Los pre-tratamientos estudiados incluyen procesos mecánicos (trituración, ultrasonidos, microondas), térmicos (a
alta y baja temperatura), químicos, termoquímicos y biológicos (enzimáticos) (Bonmatí, et al. 2009). A nivel
laboratorio y en plantas piloto se han estudiado numerosas condiciones de operación para cada una de estas
categorías. A escala industrial, entre los pre-tratamientos más utilizados destaca el pre-tratamiento térmico a alta
temperatura y los ultrasonidos.
La inclusión de un pre-tratamientos en la línea de fangos comporta un incremento en el consumo de energía,
cosa que en algunos casos puede comprometer el balance energético. No obstante, mediante los pre-tratamientos
se pueden obtener otros beneficios importantes como la mayor destrucción de sólidos, una mejor
deshidratabilidad, y como consecuencia un menor volumen de fangos a gestionar, que pueden compensar un
balance energético no positivo.
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3 Pre-tratamiento mediante ultrasonidos (sonicación)
La sonicación es un proceso que, mediante la aplicación de ultrasonidos, incrementa la presión y la temperatura
de los fangos. Esto resulta en la cavitación o impulsión de burbujas de gas que provoca la disrupción de las
células, liberando y solubilizando al medio el contenido celular. No requiere aditivos químicos ni produce
compuestos tóxicos secundarios, al contrario, la generación de radicales libres altamente oxidantes, favorecen la
degradación de compuestos orgánicos recalcitrantes (Khanal, 2007).
Entre todos los pre-tratamientos posibles, la sonicación, es sin duda el más eficiente, versátil y llega hasta
eficiencias de desintegración del 100%. No obstante, requiere una gran cantidad de energía, por lo que es
necesario definir de manera precisa las condiciones de operación en su implementación a escala real.
3.1 Factores ambientales y operacionales de un equipo de ultrasonidos
Los factores principales que afectan a la desintegración por ultrasonidos se pueden dividir en: características de
los fangos, y parámetros de operación del equipo de ultrasonidos (Show, 2009, Khanal, 2007)
3.1.1 Características de los fangos
La relación ST/SV se ha descrito como uno de las características que más influyen en la desintegración de los
fangos. Huan et al. (2009) indica que a bajas concentraciones de sólidos suspendidos (14.26 a 3.57 gSS/L), a
menor concentración mayor desintegración, atribuible a que a menor concentración mayor uso de la energía por
parte de las partículas. No obstante, Khanal et al. (2007) describe que en el rango de concentración de ST (1,53%) la solubilización de la DQO se incrementa a mayor concentración de ST; a mayor concentración de ST se
favorece la disrupción debido a las colisiones entre partículas. Basándose en consideraciones teóricas y
resultados experimentales Show et al. (2007) propone un rango optimo de sólidos entre 2,3- 3,2 % ST.
La relación entre el grado de desintegración y la deshidratación de los fangos, así como la reducción de agentes
químicos todavía no está clara. Huan et al. (2009) reporta sequedades del 25% reduciendo hasta 10 veces el uso
de FeCl3 si previamente se ha sonicado el fango durante 30 segundos a 0,25 W/mL. Feng et al. (2009) describe
una mejor deshidratación para dosis bajas de energía frente a altas dosis, con una dosis óptima alrededor de los
800 kJ/kgTS. La concentración de polímeros exocelulares (EPS), que se liberan al medio durante el proceso de
sonicación, se ha descrito como el factor que más influye en la deshidratabilidad de los fangos ya que presenta
una mayor afinidad hacia el agua y puede incrementar la viscosidad del fango.
3.1.2 Parámetros de operación
Los principales parámetros de operación que se han de considerar son: tiempo, densidad (W/mL), energía
(kWh/kg ST) y frecuencia (Hz). La combinación óptima de estos parámetros tiene una gran influencia en los
requerimientos energéticos y por lo tanto la viabilidad económica del pre-tratamiento.
El tiempo influye directamente en la energía introducida, se han testado un amplio rango de tiempos desde
segundos a cientos de minutos (Show, et al., 2007, Feng, et al., 2009). Se ha observado que la mayor disrupción
(medida como liberación de DQO soluble) se produce en el primer minuto, por la cual cosa, en principio,
tratamientos menores a un minuto permiten optimizar el consumo energético (Show et al. 2009).
No obstante la densidad energética parece ser un factor más importante que el tiempo. A altas densidades
(W/mL), usando la misma cantidad de energía (kWh/kg TS), se consiguen mayores eficiencias de desintegración
ya que se generan mayores fuerzas de cavitación. Con una misma cantidad de energía introducida (10 kWh/kg
ST) y una densidad de 0.49 W/mL, se observa una reducción en el tamaño de particular de 49 a 9 µm, mientras
que con una densidad de 0,18 W/mL, la reducción en tamaño es solo hasta 19 µm; la liberación de DQO soluble
sigue el mismo patrón (Show et al., 2007).
Así pues, queda claro que es necesario llegar a un equilibrio entre el tiempo de sonicación, la densidad y la
energía introducida al sistema, para optimizar los costes energéticos y la eficiencia del tratamiento. Tal como se
ha indicado, los resultados obtenidos en los diferentes trabajos experimentales sugieren que la reducción del
tiempo de sonicación y altas densidades minimiza el uso de energía.
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3.2 Los ultrasonidos como pre-tratamiento de la digestión anaerobia
El proceso de digestión anaerobia se ve favorecido por la desintegración/solubilización de la materia orgánica ya
que la hidrólisis de los fangos es la etapa limitante del proceso. El per-tratamiento de fangos mediante
ultrasonidos es de los más extendidos, con múltiples experiencias en EDARs Europeas, concretamente en
Alemania. Appels (2008) describe diversas experiencias en EDARs de mediana capacidad (50.000 -70.000 heq.),
con incrementos en la destrucción de los SV entre el 40-50% y un incremento en la producción de biogás del
50%, con valores típicos de consumo energético de 3,7 kWh/m3 de agua residual tratada.
No obstante para que el pre-tratamiento sea rentable el incremento en la producción de biogás (y por lo tanto de
energía) ha de ser mayor al uso de energía en el pre-tratamiento por ultrasonidos. Es por este motivo que la
sonicación se aplica habitualmente a la corriente de fangos secundarios, y en muchos casos, únicamente a una
fracción de la misma. Diferentes fabricantes de equipos indican que porcentajes de entre el 30-40% son
suficientes para incrementar la producción de biogás hasta valores que dan un balance positivo entre la energía
utilizada y el incremento en la producción de energía (biogás) (Kalogo and Monteith, 2008).
4 EDAR de Cornellà de Terri
4.1 Características de la EDAR
La EDAR de Cornellà de Terri, es una estación depuradora de aguas residuales urbanas e industriales con una
capacidad de diseño de 13.992 m3/d y 188.560 habitantes equivalentes. Se puso en operación en 1992 y se
modifico en 1997. Actualmente la población servida es de 26.085 habitantes de cinco municipios (Banyoles,
Porqueres, Camós, Cornellà de Terri, Palol de Revardit). Las aguas depuradas se vierten al rio Terri (Figura 1).
Figura 1
Imagen de la EDAR de Cornellà de Terri
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El diagrama de flujo de la EDAR es el de fangos activos convencional, y consta de las siguientes unidades:
•
Pre-tratamiento: Pozo de gruesos, bombeo mediante tornillo sin fin, tamices y desarenadordesengrasador
•
Tratamiento primario: Decantador
•
Tratamiento secundario: Fangos activos de baja carga
•
Línea de fangos: espesado de fangos primarios y secundarios por gravedad, y secado térmico.
El secado térmico está dimensionado para tratar los fangos procedentes de las demás EDARs de la zona.
La EDAR se diseño y se opera para eliminar la materia orgánica, aunque también elimina parte de los nutrientes
(N y P) de las aguas residuales.
4.2 Modificaciones de la EDAR
La UTE Banyoles, de la que PASSAVANT ESPAÑA forma parte al 50%, a través del proyecto “Projecte de
digestió anaeròbia de l’EDAR del Terri” contratado por la Agencia Catalana del Aigua (ACA), ha modificado la
línea de fangos de la EDAR. La principal modificación ha sido la inclusión de la digestión anaerobia previa al
secado térmico existente; no obstante, se han introducido otras modificaciones que se describen a continuación.
4.2.1 Espesamiento de los fangos:
Los fangos primarios se espesan por gravedad en los decantadores existentes, únicamente se ha introducido un
tamiz para evitar que los impropios (plásticos, etc.) puedan llegar al digestor y evitar así problemas mecánicos y
de flotantes. El espesamiento de los fangos secundario se realiza mediante un tambor rotatorio previa
dosificación de polielectrolito.
Las concentraciones de ST esperadas son del 3,5% para los fangos primarios y el 4% para los fangos
secundarios.
4.2.2 Pre-tratamiento mediante ultrasonidos
Una fracción de la corriente de fangos secundarios (40%-60%) se trata mediante ultrasonidos en un Sonicador de
la firma VTA, modelo GSD 8 que consta de 8 sondas de generación de ultrasonidos de una potencia de 2Kw,
con capacidad para el tratamiento de 1,6 a 2,3 m3/h de fango secundario entre el 3,5% y 4% en ST, disponiendo
de un reactor de 2,5m3 de volumen, lo que permite un tiempo de sonicación de aproximadamente 60 minutos,
con el objetivo de solubilizar la materia orgánica.
Los fangos secundarios sonicados, junto con los no sonicados y los fangos primarios, se mezclan en un depósito
de 80 m3 previo a su alimentación al reactor anaerobio.
4.2.3 Digestión anaerobia
La mezcla de fangos primarios y secundarios se trata en un reactor anaerobio construido en acero de 3.450 m3 de
volumen con agitación mecánica de eje vertical. El régimen de temperatura es de 35ºC y un tiempo de retención
de 23 días, con una velocidad de carga orgánica de 1,36 kgSV/m3 d
La producción de biogás esperada es de 900 L/kgSV, con una producción diaria de 1.893 m3/día. El biogás
generado se almacena en un gasómetro de 340 m3 previo a su uso en las micor-turbinas o su combustión en la
antorcha de seguridad.
4.2.4 Recuperación energética
El biogás generado se utiliza para producir energía eléctrica en dos micro-turbinas de la firma Micropower de 65
kWe de potencia, previo a su depuración y compresión.
En la Figura 2 se pueden ver imágenes de las diferentes unidades instaladas.
Tema C: Agua y Ciudad
Figura 2
Imágenes de las modificaciones introducidas en la línea de fangos de la EDAR de Cornellà de Terri: Digestor
Anaerobio y Gasómetro, Depuración del biogás, Microturbinas
Tema C: Agua y Ciudad
5 Estudio en curso
Una vez realizadas las modificaciones en la EDAR, PASSAVANT tiene interés en determinar los rendimientos
reales de las diferentes unidades instaladas; por este motivo, en colaboración con el Centro GIRO CT, está
realizando un estudio con los siguientes objetivos:
-
Determinar la eficiencia de las modificaciones de los espesadores de fangos primarios y secundarios
-
Determinar la eficiencia del pre-tratamiento con ultrasonidos en referencia a:
o
la capacidad de desintegración,
o
el incremento de la biodegradabilidad anaerobia,
o
el incremento de la producción de biogás en continuo,
o
la deshidratabilidad de los fangos.
Con este objetivo se está tomando muestra en los diferentes puntos indicados en la Figura 3
Decantador 1ri
Decantador 2ri
Polielectrolito
i
40-60 %
4
Fango 1rio
Tamiz
(tambor
rotativo)
Fango 2ari
5
7
1
Tamiz
(tambor
rotativo)
Espesador
Gravedad
2
3
Ultrasonidos
6
60-40 %
Almacenamiento
(80m3)
Espesador
Gravedad
8
ii
Reactor
Anaerobi
Gasómetro
iv
Almacenamiento
(20 m3)
9
Almacenami
ento fango
digerido
A secado
térmico
Antorcha
iii
Punto de muestreo
Micro-turbinas
Datos consumos/generación
Figura 3
Esquema de las modificaciones de la línea de fangos de la EDAR del Terri y puntos de muestreo
Tema C: Agua y Ciudad
A continuación se describen brevemente las diferentes actividades del estudio.
5.1 Eficiencia de los tamices
Tal como se ha indicado anteriormente, se ha introducido un tamiz previo a la concentración por gravedad de los
fangos primarios para eliminar los impropios (inorgánicos) que puedan causar problemas en el reactor anaerobio
posterior. Se muestreará la corriente de entrada y las dos de salida para evaluar la eficiencia de eliminación de
partículas inorgánicas, y la pérdida de materia orgánica, no deseada, por la corriente de rechazo.
El espesado de los fangos secundarios se ha modificado íntegramente y en la actualidad se realiza en un tamiz
rotatorio previo a la dosificación de polielectrolito. Se muestrearan las corrientes de entrada y salida para evaluar
la eficiencia de concentración en ST y SV del equipo.
5.2 Evaluación de la capacidad de desintegración del tratamiento con ultrasonidos
Para evaluar la eficiencia de desintegración del ultrasonidos, se muestrearan los fangos secundarios en los puntos
5 y 6 de la Figura 3. La eficiencia de desintegración se medirá mediante el incremento de DQO soluble respecto
la DQO total, y del N amoniacal en relación al N total.
5.3 Ensayos de biodegradablilidad anaerobia
El efecto del tratamiento con ultrasonidos sobre los fangos secundarios es la solubilización de la materia
orgánica y por tanto se espera un incremento de la biodegradabilidad de los fangos y/o de la velocidad de
producción de metano.
Con el objetivo de evaluar estos dos parámetros se realizaran ensayos de biodegradabilidad anaerobia de las
siguientes corrientes:
Muestra compuesta: mezcla muestra del punto 3 y 4 (Figura 3)
Muestra del punto 8 (Figura 3)
Los ensayos de biodegradabilidad se desarrollaran durante un tiempo estipulado de 40-60 días, se analizará la
composición inicial y final de los fangos, y se seguirá la producción i composición (CH4 y CO2) del biogás a lo
largo del tiempo.
5.4 Ensayos anaerobios en continuo
Para poder comparar el incremento en la producción de biogás se está operando un reactor anaerobio escala
laboratorio (reactor de mezcla completa con una capacidad de 5,5L), con las mismas condiciones de operación
que el reactor instalado en la EDAR de Banyoles (TRH= 23 días, Tª = 35ºC)
Inicialmente se operará el reactor con la mezcla de fangos primarios y secundarios no pre-tratados; el tiempo de
operación será de tres tiempos de retención,. En una segunda etapa se alimentará el digestor con la mezcla de
fangos primarios, fangos secundarios y fangos secundarios previamente sonicados. Se determinaran la
producción y la composición del biogás de las dos mezclas de fangos, así como las eficiencias de eliminación de
ST, SV y DQO.
5.5 Deshidratabilidad de los fangos digeridos
Otra de las ventajas descritas del pre-tratamiento con ultrasonidos es la obtención de un fango con una mayor
deshidratabilidad. Se evaluará la deshidratabilidad de la mezcla de fangos frescos, fangos digeridos no pretratados y de fangos digeridos pre-tratados. Se realizará los siguientes tests: capilaridad, centrifugabilidad y
filtrabilidad.
Tema C: Agua y Ciudad
6 Conclusiones
Con este estudio PASSAVANT pretende verificar los rendimientos previstos tanto, en la concentración de los
fangos, como en los incrementos de producción de biogás derivados del pre-tratamiento con ultrasonidos, y
determinar las características del fango digerido (deshidratabilidad).
En concreto:
1.- Cuantificar el % de incremento en la producción de biogás y contrastar dicho valor con respecto a los
rendimientos esperados..
2.- Cuantificar el % de reducción en la producción de fangos a la salida del digestor y de la centrifugación.
3.- Cuantificar el % de reducción en el consumo de polímero.
Con este tipo de estudios PASSAVANT pretende la mejora técnica de sus instalaciones, a la vez, que dotarlas de
un valor añadido, ofreciendo a sus clientes un producto con unos rendimientos verificados a escala real.
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