1 PRODUCCIÓN DE BIOGÁS MEDIANTE DIGESTIÓN ANAEROBIA
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Universidad de León PRODUCCIÓN DE BIOGÁS MEDIANTE DIGESTIÓN ANAEROBIA OCTUBRE 2010 Antonio Morán Xiomar Gómez 1 Índice 1. Introducción a los procesos biológicos 2. Química y microbiología del proceso de digestión anaerobia 3.Variables que afectan al proceso de digestión 4. Sistemas de digestión 5. Producción y composición del biogás 2 1 Introducción a los procesos biológicos Aerobios Tratamiento de aguas residuales Anaerobios Fangos activos (WAS) •Lecho suspendido UASB Filtros •Película fija Compostaje Tratamiento de residuos sólidos Dig Anaerobia 3 Introducción a los procesos biológicos Sedimentación primaria Agua residual Pre-tratamiento Tratamiento biológico Sedimentación secundaria Lodos secundarios Lodos primarios Biogás Biosólidos Para aplicación agrícola Digestor anaerobio Secado térmico Deshidratación 4 2 Introducción a los procesos biológicos Definiciones Sólidos Totales Sólidos suspendidos Sólidos sedimentables Sólidos disueltos Sólidos Volátiles Sólidos fijos 5 Introducción a los procesos biológicos Definiciones DBO: Utilizado para aguas (Medida relacionada con el oxígeno necesario para oxidar la materia orgánica por los microorganismos) 6 3 Introducción a los procesos biológicos Definiciones DQO: Utilizado para aguas (Medida relacionada con el oxígeno necesario para oxidar la materia orgánica) 7 Introducción a los procesos biológicos 8 4 Introducción a los procesos biológicos Ecuación de Monod dCs − rmax CsCx = dt K s + Cs Relación entre el crecimiento bacteriano y el consumo del substrato Cs : Concentración del substrato Cx : Concentración de biomasa rmax : Velocidad específica de degradación en su valor máximo Ks : Constante de saturación 9 2. Química y microbiología del proceso 10 5 Química y microbiología del proceso Química Microbiología Conversión de la materia orgánica en biogás Utilización de diversos grupos de microorganismos en condiciones anaerobias Biometanización Transformación de la materia orgánica mediante la ayuda de microorganismos para generar biogás como producto principal y un digerido que puede ser utilizado como acondicionador de suelos 11 Química y microbiología del proceso El proceso de la digestión anaerobia se puede representar, de forma química mediante la reacción: CmHnOp → rCH4 + sCO2 +H2O, donde r + s = m. Energía perdida como calor Energía en los productos finales Energía perdida en la respiración Energía sintetizada en protoplasma Energía no utilizada como resultado de la falta de aceptores de hidrógeno Conversión anaerobio de energía en el metabolismo 12 6 Química y microbiología del proceso Compuestos Orgánicos complejos Compuestos Proteínas Carbohidratos Lípidos Hidrólisis orgánicos insolubles Com. orgánicos solubles amino ácidos azúcares ácidos alcoholes grasos Acidificación Productos intermedios: Ac. Propiónico Ac. Butírico, etc. Acetato Hidrógeno NH3-N H2S Acetogénesis CO2 CH4 Metanogénesis CO2 13 3. Variables que afectan al proceso de digestión 14 7 Variables que afectan al proceso de digestión Características del sustrato: Se pueden diferenciar para el sustrato (Pfeffer, 1992): Solubilidad: mejora la accesibilidad de los microorganismos. Granulometría y humedad: determinan las posibilidades de bombeo, tipo y tamaño del digestor. Biodegradabilidad: si el sustrato es poco biodegradable precisará mayores tiempos de residencia para su degradación, lo que repercutirá en los costes de operación. Concentración de sustrato en la corriente de entrada al digestor: la dilución del sustrato permitirá ajustar el contenido de sólidos y nutrientes óptimos en el alimento para el funcionamiento del proceso. Estructura y composición química: el conocimiento de la composición química permite adecuar el balance de nutrientes a las necesidades del proceso, ya que las poblaciones bacterianas involucradas en la digestión requieren un aporte de nutrientes suficientes para poder crecer. 15 Variables que afectan al proceso de digestión Eliminar la estratificación térmica, manteniendo una temperatura uniforme en todo el digestor. 16 8 17 Variables que afectan al proceso de digestión La temperatura pH y alcalinidad Ácidos grasos volátiles y de cadena larga 18 9 Variables que afectan al proceso de digestión Parámetros utilizados para evaluar el funcionamiento de los digestores Sólidos Totales y Sólidos Volátiles pH y Alcalinidad Volumen del gas y composición Ácidos grasos volátiles 19 Variables que afectan al proceso de digestión Materiales que causan inhibición Debida a materiales solubles que están disponibles para los microorganismos •Metales pesados (Cu, Zn) •Sulfuros •Detergentes sintéticos •Ácidos grasos de cadena larga •NH3 •Sales (Na+, K+, Ca++) 20 10 Índice 4. Sistemas de digestión 21 Sistemas de digestión Consumo energético de Compostaje 50 – 75 kWh elec/ton RSU Digestión Producción de energía de Anaerobia 75 – 150 kWh elec/ton RSU 22 11 Sistemas de digestión Basados en el contenido total de sólidos Basados en el tipo de operación Digestor en Tilburg (Holanda) •Bajo (10% ST) •Medio (15 – 20 % ST) •Alto (22 – 40 % ST) •Una sóla etapa •Multi-etapas •Por Tandas 23 Sistemas de digestión Parámetros utilizados: •Tiempo de retención hidraúlica -TRH- (d) •Carga orgánica (kg SV/d* m3 reactor) TRH = V / Q •Producción específica biogás -PEG(m3gas/ton SV) •Reducción de SV (%) 24 12 Sistemas de digestión Sistemas en una sola etapa •Húmedo •Seco •Los equipos de transporte de la alimentación son más costosos •Se prefieren debidos a la simplicidad en el diseño y el •Los reactores son de flujo pistón lo que simplifica el menor coste de instalación diseño interior (no se necesita mezcla) •Suelen presentar separación de fases en el interior del •Requieren menor volumen de agua, no presentan reactor (densos y ligeros) perdida de SV debidas a los pre-tratamientos •Short-circuit (pre-cámaras) •No short-circuit •Cargas máximas (OLRmax) de 8 kgSV/m3 3 d •Cargas máximas (OLRmax) de 12 kg/m d 25 Sistemas de digestión Bioresiduo Sistema hidrodinámico de separación Pulper Biogás Reactor Molino Contaminates E. eléctrica E. térmica E. Térmica Central de producción de energía Arena Deshidratación Fertilizante líquido Agua de proceso Compostaje Proceso BTA de una sola etapa 26 13 Sistemas de digestión Reactores Residuo separado Generación de electricidad y calor Compostaje Digerido Fertilizante líquido Sistema Kompogas 27 Sistemas de digestión Valorga 28 14 Sistemas de digestión Sistemas en dos etapas •Presentan un coste de instalación mayor •No se ha traducido en un mayor rendimiento de biogás pero si en una mayor estabilidad en el proceso •Las variabilidades en la carga son tamponadas por la primera fase 29 Sistemas de digestión Molino Separación magnética Separación de pesados Reactor Pulper Reactor de hidrólisis Inertes Contaminantes Biogás Biogás Reactor de película fija Proceso BTA multi-etapa 30 15 Sistemas de digestión 31 Sistemas de digestión Residuo pretratad o Biogás Agua de proceso Reactor Tamiz Calor Suspensión Pulpe r Deshidratación Residuo Sedimentos Residuos ligeros Tanque de hidrólisis y suspensión buffer Agua excedente Linde (Digestión en húmedo) 32 16 Sistemas de digestión Residuo pre-tratado Biogás Calibrador Sistema de extracción Deshidratación Reactor de flujo pistón Agua de proceso Residuo Linde (Digestión seca) 33 5. Producción y composición del biogás 34 17 Producción y composición del biogás Alimentación Arranque Arranqueaapartir partir de deinóculo inóculo mesofílico mesofílico LP:FORSU (22%) Digestor Mesofílico Digestor Termofílico Evaluación de su funcionamiento TRH Energía obtenida Carga orgánica PEG 35 11 Producción y composición del biogás Rendimientos de producción de biogás para distintas tecnologías Proceso Rendimiento (m3/ton m3 alimentada) BTA 80-120 Valorga 80-160 WAASA 100-150 DRANCO 100-200 Linde 100 Kompogas 130 36 18 Producción y composición del biogás Ciudad Características Proceso Barcelona (Ecoparque II) 120.000 tn/a (3 digestores 4.500 m3) Valorga Cadiz 115.000 tn/a (4 digestores 4.000 m3) Valorga La Coruña 182.500 tn/a (4 digestores 4.000 m3) Valorga Valladolid 15.000 tn/a Linde (Dig seca) Madrid 73.000 tn/a Linde (Dig húm) Burgos 40.000 tn/a Linde (Dig húm) 37 Producción y composición del biogás Componente Porcentaje Metano 60 – 80 Gas Carbónico 30 – 40 Nitrógeno Monóxido de Carbono Oxígeno Ácido Sulfhídrico 1-2 0 - 1.5 0,1 0-1 38 19 MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN 39 20
