DETERMINACIÓN DEL TIEMPO DE RESIDENCIA EN EL

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