DIGESTION ANAEROBIA DE FANGOS: PASADO, PRESENTE Y

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7as Jornadas Técnicas de Saneamiento y Depuración
ESAMUR
DIGESTION ANAEROBIA DE FANGOS:
PASADO, PRESENTE Y FUTURO
Juan Antonio Cortacáns Torre
Profesor Ad Honorem
ETS Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos
Universidad Politécnica de Madrid
Murcia, 16 y 17 de Noviembre de 2011
1
INDICE
1. Introducción
2. Evolución de los sistemas de digestión
2.1. Digestión de baja carga
2.2. Digestión de alta carga
2.3. Digestión mesofílica
2.4. Digestión termofílica
g
primaria
p
y secundaria
2.5. Digestión
2.6. Digestión por etapas
2.7. TPAD
2.8. Digestión en dos fases
3. Configuraciones y sistemas de mezcla.
3.1. Distintas configuraciones
3.2. Consecuencias de la configuración en la mezcla
3.3. Sistemas de agitación
4. Situación en España
5. Aspectos y problemas en debate
5.1. Desinfección y sus normativas
5.2. Pretratamientos
5.3. Co-digestión
5.4. Exceso de espumas (foaming)
6. Conclusiones
7. Referencias
2
1
1. INTRODUCCION
ƒ Digestión anaerobia:
Método más utilizado para estabilización de fangos en depuradoras
ƒ Objetivos:
g (Reducción
(
Estabilización de f
fangos
de volátiles))
Reducción masa de fangos
Producción de biogás y energía
Reducción concentración de patógenos
ƒ Otras consecuencias favorables posibles
Utilización de biosólidos en agricultura
Codigestión
ƒ Problemas:
Producción de gases corrosivos y con riesgos de explosión
Sistema más complejo (en su bioquímica y su ingeniería) que los
tratamientos aerobios
Configuración de los tanques (cerrados) complica su
mantenimiento y control
3
INDICE
1. Introducción
2. Evolución de los sistemas de digestión
3. Configuraciones y sistemas de mezcla.
4. Situación en España
5. Aspectos y problemas en debate
6. Conclusiones
7. Referencias
4
2
2. EVOLUCION DE LOS SISTEMAS DE DIGESTION
2.1. DIGESTION DE BAJA CARGA
ƒ Hasta mediados siglo XX
q
ƒ Tanques
cilíndricos - Techo
fondo con poca pendiente
y
ƒ Mala o nula mezcla
ƒ Calentamiento ausente o
deficiente
ƒ Consecuencias:
Estratificación
Acumulación costra
Volumen en disminución por sedimentación de arenas
5
2.2. DIGESTION DE ALTA CARGA
ƒ A partir de los 50-60
ƒ Características:
Calentamiento
Mezcla
Alimentación uniforme
Espesamiento previo
(4 6% SST)
(4-6%
6
3
2.3. DIGESTION MESOFILICA (∼ 35ºC)
ƒ Es la más habitual en todo el mundo
ƒ Características de diseño más frecuentes:
Carga de volátiles: 1,5 - 2,5 kg SSV/m3.d
Tiempo de retención celular: 15 - 25 días
Buena mezcla:
„ Homogeneización temperatura
„ Evita costras y sedimentaciones
Alimentación: 4-6% SST
7
2.4. DIGESTION TERMOFILICA (50-55ºC)
ƒ Comparado con mesofílica
Mayor carga SSV
Mayor tiempo de retención celular (A igualdad de tamaño)
Mayor reducción de SSV (A igualdad de tamaño)
Mayor demanda energética (Puede ser insuficiente la producción de CH4)
ƒ Ventajas:
Mayor destrucción de SSV
Mayor producción de biogás
Menor contenido de patógenos
Operado en continuo no produce biosólidos clase A (EPA), pero sí
operando en batch
ƒ Para biosólidos clase A: Operación en batch, con 5-6% SST en alimentación
(No mayor)
„ A 50ºCº Æ 120 horas
„ A 55ºC Æ 24 horas
50 .070 .000
TR =
10 0 ,14 T
Fórmula EPA (Ref. 1)
8
4
2.5. DIGESTION PRIMARIA Y SECUNDARIA
ƒ Se realiza (realizaba) con dos tanques en serie.
ƒ La expresión digestión secundaria puede ser engañosa. No suele tener
calentamiento ni mezcla
DIGESTOR PRIMARIO
DIGESTOR SECUNDARIO
ƒ Funciones del digestor secundario:
ƒ Suministra
S mi ist volumen
l m de
d almacenamiento
lm
mi t
ƒ Separación de sólidos y líquido
ƒ Problemas:
½
Puede haber problemas de separación por producción de gas si la digestión es
incompleta
½
Recargas importantes de sólidos a la línea de tratamiento
ƒ En desuso
9
2.6. DIGESTION POR ETAPAS
ƒ Usadas por posibles ventajas metabólicas o de proceso
ƒ Renacida por beneficios de reducción de patógenos
ƒ Digestión mesofílica en 2 etapas
Dos reactores de mezcla completa en serie. Ambos calentados.
Se acerca al flujo pistón
Ventajas
„ Aumenta estabilidad. Mayor destrucción VSS.
„ Reduce cortocircuitos de sólidos y patógenos
ƒ Digestion termofílica en 2 etapas
Comparación con mesofílica
„ Mayor producción de gas y reducción de VSS
„ Mayor destrucción de patógenos
Con varias etapas se han conseguido biosólidos clase A
10
5
2.7. TPAD (Temperature-Phased Anaerobic Digestion)
ƒ Combinación más frecuente: Digestión termofílica y mesofílica en serie para
optimizar la digestión
ƒ No son de uso muy frecuente
ƒ Desarrollo: Alemania y Estados Unidos (años 80-90)
ƒ Primeras referencias (Ref. 2)
Colonia (Alemania) – 400.000 m3/d. Principios 90. Sólo fango activo
Wilhelmshaven (Alemania) – 75.000 m3/d. Año 97. Fango 1º + Fango activo
Iowa State University – Planta piloto. Año 95. Fango 1º + Fango activo
ƒ Ventajas fase temofílica:
Mayor velocidad de hidrólisis y mayor actividad biológica del digestor termofílico
Mayor destrucción de SSV y producción de gas que en un conjunto sólo
mesofílico. (Incremento según referencias a igualdad de SRT ∼ 15%)
Menor tendencia de espumas para digestión conjunta de fangos primarios y en
exceso que la digestión mesofílica
Menor concentración de patógenos: Posibilidad de conseguir clase A
ƒ Fase mesofílica: Completa eliminación SSV y produce más biogás
Acondiciona sólidos para deshidratación: Mejor deshidratación
Reduce concentración de compuestos con olor
11
CRITERIOS DE DISEÑO
ƒ No están claramente definidos por variedad de experiencias
Fase termofílica
„ Temperatura: 50-57ºC
„ Tiempo
Ti
de
d retención:
t
ió 4 a 10 dí
días
Fase mesofílica:
„ Temperatura: 35-40ºC
„ Tiempo de retención fase: 6 a 12 días
Mínimo global: 15 días en mes de carga máxima
ƒ Gran variabilidad en caso de aprovechar instalaciones existentes
ƒ Poca tolerancia a cambios de temperatura en fase termofílica. Se requiere
buena mezcla
ƒ Atención a mayor producción de olores de la fase termofílica
ƒ En caso de transformar digestores existentes: Estudio estructural y de
equipamiento del digestor que pase a termofílico
12
6
ƒ EVOLUCION SISTEMAS TPAD
Se ha comparado el sistema TPAD frente a la digestión termofílica
simple (TAD) (Ref. 3). Conclusiones:
„
„
„
„
„
„
„
„
Ambos sistemas funcionan de forma correcta y estable
Pueden conseguir biosólidos clase A con formas de diseño y
operación adecuadas
Algunos TPAD, sin embargo, no cumplen
Ambos sistemas tienen más rendimiento que la digestión mesofílica
Algunas TPAD gastan más polímero en deshidratación
No se ven ventajas claras en TPAD frente a TAD salvo en gasto
energético cuando no requiere enfriamiento
TAD supera
p
a TPAD en deshidratabilidad y reactivación de
patógenos y da menos olores
TPAD es complicada en operación
Por ello, evolución hacia sistemas termofílicos por etapas: STAD en
lugar de TPAD (Ref. 4)
13
2.8. DIGESTION EN DOS FASES (AG)
ƒ Separación de fase ácida y fase metánica
Biogás
Fase
ácida
Fase
metánica
Sólidos
digeridos
ƒ Forma práctica: En base a SRT (HRT)
Bajo
j SRT en 1ª fase: Favorece fase ácida y bajo
j p
pH. pH
p ≤ 6 maximiza
acidificación y minimiza producción de gas.
Mayor SRT en 2ª fase: Proliferan bacterias metanogénicas
ƒ Origen estos procesos: Años 70
ƒ Referencias importantes: A partir año 90
14
7
ƒ Ambos reactores pueden ser termofílicos o mesofílicos, pero dominan los
mesofílicos en las referencias sobre todo iniciales
ƒ Hay también secuencias con temperaturas termofílicas.
Fundamentalmente secuencia Termo – Meso para conseguir clase A.
Para ello requiere medidas operativas.
ƒ Siglas.
AGMM – Dos mesofílicos
AGMT – Meso + Termo
AGTM – Termo + Meso
ƒ Ventajas de los sistemas de 2 fases frente a los de una fase
Mayor reducción de volátiles y producción de biogás
Biogás con más metano
Mayor inactivación de patógenos
La alta hidrólisis y las altas concentraciones de AGV en la fase ácida
rompen componentes que producen espumas
Más estable
Menor volumen total
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ƒ Criterios de diseño
Fase ácida
„ Carga SSV: 25 a 40 kg SSV/m3.d
„ Concentración
C
t
ió de
d alimentación:
li
t ió : 5
5-6%
6% SST
„ Tiempos de retención: 1 a 2 días (a temperatura mesofílica)
„ Concentración AGV: 7000 a 12000 mg/l
„ Rango de pH: 5,5 a 6,2
Fase metánica:
„ Carga similar a procesos convencionales
„ No suele usarse un SRT menor de 15 días
16
8
SITUACION ACTUAL SISTEMAS AG (Ref. 5)
ƒ Van aumentando referencias principalmente en EEUU
ƒ Ventajas citadas en origen
Mayor destrucción de VSS
y producción
p
g
Mayor
de gas
Menor volumen de digestión
Menor producción de espumas
Estabilidad
Control de patógenos (Clase A?)
ƒ Beneficios confirmados
Control de espumas e incremento de destrucción de VSS
ƒ Beneficios citados recientemente
Codigestión (vertidos industrias alimentarias)
Menor mantenimiento (Difícil de entender)
ƒ Cuestiones pendientes
Olores, Deshidratabilidad y Reactivación de patógenos
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INDICE
1. Introducción
2 Evolución de los sistemas de digestión
2.
3. Configuraciones y sistemas de mezcla.
4. Situación en España
5. Aspectos y problemas en debate
6 Conclusiones
6.
7. Referencias
18
9
3. CONFIGURACIONES Y SISTEMAS DE MEZCLA
3.1. DISTINTAS CONFIGURACIONES
• Problemas de sedimentos y
costras superficiales
• Es normal vaciar y limpiar
cada 2-5 años
• Buenas condiciones de mezcla,
circulación y homogeneización
• Más barato que b)
• Más favorable que a)
• Condiciones óptimas de mezcla,
circulación y homogeneización
• El fondo plano restringe los
posibles métodos de mezcla y
circulación a elegir
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3.2. CONSECUENCIAS DE LA CONFIGURACIÓN EN LA MEZCLA
• Sedimentaciones arenas y otros sólidos:
Necesidad de limpieza
• G
Gran superficie
fi i y posibilidad
ibilid d d
de
formación de grandes costras
• Configuración óptima
• Pérdida de capacidad con el tiempo
• Zona bajo cubierta no aprovechable
• Mayores pérdidas de calor
20
10
3.3. SISTEMAS DE AGITACION
BOMBEO EXTERNO
• Para volúmenes de digestión reducidos
• Pueden construirse configuraciones más
sencillas (Menor relación H/D)
• Eso da lugar a peores condiciones de mezcla
y aumento de sedimentaciones y costras
• Sin partes móviles dentro del digestor
LANZAS DE
E GAS
G
• Difícil sustitución en caso de rotura
• Permite construir digestores de fondo más
plano
• Puede aumentar problema de espuma
RECIRCULACION INTERNA
• Requiere una configuración específica
• Partes móviles dentro del digestor - Fácil
sustitución
• Optimo para mezcla con configuración
adecuada
21
MEZCLA INTERNA – AGITADORES
SUMERGIDOS
• Partes móviles dentro del digestor – Difícil
sustitución
• Sistema económico en construcción y gastos
energéticos
Potencia instalada de agitación recomendada: 5 W/m3
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INDICE
1. Introducción
2 Evolución de los sistemas de digestión
2.
3. Configuraciones y sistemas de mezcla.
4. Situación en España
5. Aspectos y problemas en debate
6 Conclusiones
6.
7. Referencias
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4. SITUACION EN ESPAÑA
DATOS DE PLANTAS
Habitantes equivalentes
75.000 – 2.275.000
Caudales
10.000 – 420.000 m3/d
Concentración DBO5
200 – 700 mg/l
Decantación primaria
Todas
Proceso biológico dominante:
1982 – 1995
1995 – 2008
Convencionales
Con eliminación de nutrientes
24
12
DATOS DIGESTORES
Digestores primarios
Volumen mínimo unitario: 2.000 m3
Volumen máximo unitario: 10.000 m3
Máximo volumen: 8 x 8700 m3
Digestor secundario
1982 – 1995
Digestor secundario (conectado a la línea de gas)
Con sistemas de mezcla deficientes
Con o sin gasómeto incorporado
1995 – 2008
Post-espesadores
Tampón con diversos sistemas de agitación
Configuración
Dominante
Menos frecuente
Fondo plano o poca pendiente
Fondo cónico con mayor pendiente
25
DATOS DIGESTORES
Agitación
Bombas externas
Heatamix o similar
Scaba o similar
Lanzas de gas
Bomba mezcladora interna con tubo vertical central
Temperatura
Dominio absoluto del rango mesofílico
Problemas
Espumas
Olores
Pérdidas de biogás
Fallos en sistemas de calefacción
Escasa concentración
Deficiencias en agitación
26
13
PARAMETROS DE DISEÑO, FUNCIONAMIENTO Y CONTROL
Carga entrada: 2-3 kg SST/m3
1,5-2 kg SSV/m3
TRH: 20-30 días
Criterios de diseño uniformes
Concentración entrada: 2,5 – 4%
Sistemáticamente hay mal funcionamiento del espesamiento
Rendimientos:
SSV entrada : 70-75%
SSV salida : 50-60%
Eliminación SSV : 40-53%
Parámetros control:
pH : 7-7,4
Relación AGV/Alcalinidad : 0,05-0,25
Normalmente valores correctos
27
PARAMETROS DE DISEÑO, FUNCIONAMIENTO Y CONTROL
Producción gas unitaria: 0,75-0,90 (1,05) Nm3/kg SSV eliminados
Consumo energético cubierto: 30 - > 50% (cogeneración?)
G
Gran
dispersión
di
ió
Composición gas:
CH4: 64-67%
CO2: 32-35%
SH2: 50-200 ppm
Datos muy uniformes
28
14
PERIFERIAS DIGESTION
Espesador gravedad
Concentración de salida: No suelen pasar de 3,5%
Problemas:
• Escasa capacidad
• Problemas mecánicos y atascamientos
• Mal diseño, mal estado instalación o mala operación
• Espesamiento conjunto fango primario y secundario
• Fermentación en espesador
Flotador
Suelen conseguir concentraciones > 4%
Otros sistemas
Centrifugación, mesas espesadoras, tambores rotativos
• Funcionan bien
• Alto gasto energético en centrífugas
• Alto
Alt consumo polielectrolito
li l t lit en sistemas
i t
mecánicos
á i
Deshidratación
•
•
•
Dominio centrífugas
Filtros banda en plantas antiguas
Filtros prensa en casos especiales
Reactivos
•
•
FeCl3: Más frecuente
Cal: menos frecuente
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INDICE
1. Introducción
2 Evolución de los sistemas de digestión
2.
3. Configuraciones y sistemas de mezcla.
4. Situación en España
5. Aspectos y problemas en debate
6 Conclusiones
6.
7. Referencias
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5. ASPECTOS Y PROBLEMAS EN DEBATE
5.1. DESINFECCION Y SU NORMATIVA
5.1.1. NORMAS
ƒ ESPAÑOLA
Real Decreto 1310/1990 de 29 de Octubre por el que se regula la
utilización de los lodos de depuración en el sector agrario
(Transposición de 86/278/CEE)
ƒ EUROPEA
Working document on sludge. Tercer borrador. Bruselas 27, Abril
2000.
Propuesta de Directiva de fecha 30 de abril 2003: “Proposal for a
Directive of the european parliament and of the Council on
spreading of sludge on land”
Ha sido retirada.
ƒ EEUU
EPA regulation 40 CFR 503 de 1993
31
5.1.2. EPA REGULATION 40 CFR 503 – 1993 (Contenido simplificado)
DEFINICIONES
ƒ
BIOSOLIDOS CLASE A
Se requiere la calidad A para aplicación del fango en parques
públicos y en cultivos dedicados a la alimentación. Esto incluye áreas
residenciales, parques, campos de golf, centros deportivos,
jardinería, etc..
ƒ
BIOSOLIDOS CLASE B
Por aplicación en pastos (con restricciones), uso agrícola en
barbecho, cultivos industriales o sin vegetación de pie (con
restricciones)
32
16
ALTERNATIVAS PARA EL TRATAMIENTO DE PATOGENOS
((BIOSOLIDOS CLASE A))
ƒ Objetivos implícitos del tratamiento.
Deben cumplir con una de las siguientes limitaciones bacterianas:
„ Coliformes fecales < 1000 NMP/g biosólidos (materia seca)
„ Salmonella sp. < 3 NMP/4 g biosólidos (materia seca)
Además utilizar uno de los procesos de reducción avanzada de
patógenos y vectores (PFRP) del listado adjunto.
33
PROCESOS AVANZADOS DE REDUCCION
DE PATOGENOS Y VECTORES (PFRP)
(BIOSOLIDOS CLASE A)
COMPOSTAJE,
P
E TÉRMICOS
É
AEROBIOS
E B
O ANAEROBIOS,
N E B
RAYOS
BETA, PASTEURIZACIÓN
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Compostaje, en pilas estáticas aireadas o dentro de un reactor a 55ºC,
3 días.
Secado térmico para reducir la humedad < 10% y temperatura 80ºC
Tratamiento térmico del fango líquido a ≥ 180ºC durante 30 min.
Digestión
g
aerobia termofílica al menos 10 días a 55-60ºC
Irradiación con rayos Beta en dosis > 1,0 megarad a 20ºC
Irradiación con rayos Gamma en dosis > 1,0 megarad a 20ºC
Pasteurización a > 70ºC durante 30 minutos.
Se pueden usar otros procesos que cumplan con lo siguiente:
Virus < 1 UFP/4 g biosólidos (materia seca)
Huevos viables de helmintos < 1/4 g biosólidos (materia seca)
34
17
ALTERNATIVAS PARA EL TRATAMIENTO DE PATOGENOS
(BIOSOLIDOS CLASE B)
ƒ Deben cumplir:
Cumplir con la siguiente limitación bacteriana:
Coliformes fecales (Media geométrica) < 2.000.000 NMP/g sólidos totales (peso seco)
(Toma de 7 muestras aleatorias de fango al día)
Además utilizar uno de los procesos de reducción significativa de
patógenos (PSRP) del listado adjunto
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PROCESOS AVANZADOS DE REDUCCION
SIGNIFICATIVA DE PATOGENOS Y VECTORES (PSRP)
(BIOSOLIDOS CLASE B)
DIGESTION AEROBIA O ANAEROBIA, SECADO AL AIRE,
COMPOSTAJE, ESTABILIZACION CON CAL
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
Digestión aerobia entre 40 días a 20ºC y 60 días a 15ºC
Digestión anaerobia entre 15 días a 35-55ºC y 60 días a 20ºC
Secado al aire: mínimo 3 meses. (Dos de los meses con temp. media
diaria > 0ºC)
Compostaje a > 40ºC, 5 días. (temp. > 55ºC durante 4 horas de los 5
días)
E t bili
Estabilización
ió con call a pH
H > 12 durante
d
t 2 horas
h
(30 minutos
i t sii ell f
fango
es de origen doméstico)
Otros procesos que cumplan las calidades exigidas
36
18
5.1.3. DESINFECCION. OTROS CRITERIOS.
Informe del grupo de trabajo AK-2.2. de la DWA (2010).
ƒ Contempla
diversos
indicadores
microorganismos
ƒ Procesos contemplados
½
½
Desinfección térmica
Combinación
de
tiempos
y
temperaturas para lograr una
inactivación de patógenos (Feachem)
Fuente: KA, nº8, 2010
ƒ
Comparación de criterios: Feachem, EPA, ATV: Grupo de trabajo 3.2.2..
37
PROCESOS
ƒ Prepasteurización (Térmica – Anaerobia)
½ El tiempo de retención depende de la temperatura (Tabla anterior)
½ En general se realiza con instalaciones dotadas de 3 depósitos para
funci n r en
funcionar
n batch
b tch
½ Hay instalaciones con flujo continuo y suficiente tiempo de
retención medio
ƒ Prepasteurización aerobia termofílica
½ Como la p
prepasteurización
p
térmica suele realizarse con 3 etapas,
p
pero en este caso tienen aeración y con de mayor tamaño
½ Tiempo medio de retención: Al menos 1 día
½ Temperatura de operación que se alcanza: 60-65ºC
38
19
ƒ Estabilización aerobia termofílica (ATS)
½ Realiza desinfección y estabilización
½ Biodegradación aerobia exotérmica causa un autocalentamiento del
fango
½ Las instalaciones deben tener al menos 2 etapas
½ El tiempo medio de retención debe ser al menos de 6 días
½ El reactor donde se realiza la desinfección se carga en batch
39
ƒ Digestión termofílica
½ Para cumplir función de desinfección Æ Tiempo mínimo de estancia
en el digestor
½ Se extraen fangos después de una mínima estancia antes de añadir
nuevas cargas precalentadas
l
d
½ Tiempos de carga con digestión a 50-60ºC: 3,5 – 23 h
½ Si se quiere funcionamiento más continuo: 57ºC y 6 h de tiempo de
carga y extracción
½ Para precalentamiento y enfriamiento de fango desinfectado:
Necesidad de 2 reactores complementarios en “batch”
½ La carga no continua del digestor requiere la posibilidad de bajar
el nivel de fangos: Necesidad de un medidos de seguridad
40
20
ƒ Secado térmico
½ Se recomienda con fango estabilizado
½ Condiciones de la desinfección térmica: > 70ºC ,30 minutos, con
sólidos > 80% en peso
ƒ
Compostaje termofílico
ƒ
Desinfección con cal
ƒ
Otros procesos
½
Incineración
½
Gasificación
½
Pirólisis
½
Hidrólisis a presión con altas temperaturas
½
Radiaciones ionizantes
½
Tratamiento con cloro (se usa en USA). No debe realizarse
Cualquier proceso nuevo debe demostrar su efectividad antes de
ser aceptado
41
5.2. PRETRATAMIENTOS
ƒ OBJETIVO
Hacer el sustrato de los SS más accesible a las bacterias
anaeróbicas, optimizando el potencial metanogénico
Como consecuencia: Menor producción de fangos
ƒ ENFOQUE:
Diferencia entre fangos primarios y fangos en exceso: Menor
producción de gas de fangos activos (frente a fangos primarios)
Causas: Baja biodegradabilidad de las membranas celulares y de los
polímeros extracelulares de los fangos activos
Objetivo: Aumento de la biodegradabilidad de sustrato particulado
Æ Mejor accesibilidad de los sustratos por acción enzimática
42
21
PUNTOS DE APLICACION
Puntos más adecuados desde el punto de vista de la digestión anaerobia:
ƒ T4 – Para aumentar la producción de gas
ƒ T5 – Aumenta producción gas. Si es pretratamiento térmico puede producir además
higienización.
ƒ T6 - Con poca recirculación para no inactivar la biomasa anaerobia.
43
METODOS (Año 2000)
ƒ Métodos mecánicos. Producen la desintegración de las partículas
sólidas.
ƒ Desintegración por ultrasonidos
ƒ Métodos químicos: Destrucción de compuestos orgánicos complejos por
medio de ácidos o bases fuertes
ƒ Pretratamiento térmico: Hidrólisis térmica
ƒ Pretratamiento enzimático y microbiano
ƒ Estimulación de microorganismos anaerobios: Adición de algunos
compuestos que actúan como estimulantes del crecimiento bacteriano
44
22
METODOS (Año 2010)
Pretratamientos biológicos
ƒ Objetivo: Aumento de la hidrólisis en una etapa anterior al proceso de
digestión principal
ƒ Puede ser a temperatura termofílica (55ºC) o hipertermofílica (6070ºC) y en condiciones aeróbicas o anaeróbicas
ƒ Tiempos de retención: 1-2 días
ƒ Es la idea usada en el desarrollo de los digestores TPAD (Temperature
Phased
hased Anaerobic
naero c Digestion)
D gest on) con primera
pr mera etapa termof
termofílica
ca
ƒ Incrementos medios o importantes de producción de gas: 20-30% y
hasta 50%
ƒ Con temperatura alta (70ºC) y un adecuado manejo: Higienización.
45
Hidrólisis térmica (> 100ºC)
ƒ Produce solubilización parcial del fango Æ Mejora el rendimiento de la
digestión
ƒ Se emplea fundamentalmente con fango biológico
ƒ Temperatura óptima: 160 – 180ºC
ƒ Presión necesaria: 0,6 a 2 MPa (1 MPa = 10 bar)
ƒ Tiempo de tratamiento: 30 – 60 mm
ƒ Relación lineal entre solubilización de DQO e incremento de producción
de metano (40-50%)
ƒ Produce higienización del fango
ƒ Menor viscosidad y mejor deshidratabilidad del fango
46
23
ƒ Mayor requerimiento de energía Æ Se cubre con mayor producción de gas
ƒ Inconvenientes:
Mayor producción de sólidos finos y color en el efluente final (fracción
soluble inerte de DQO)
Incremento de amonio en digestor principal Æ ¿inhibición?
ƒ Referencias
desde
(Ej. C
Cambi),
a di
digestión
R f
i d
d 1995 (Ej
bi) preceden
d casii siempre
i
ió
mesofílica
Alimentación
de fango
deshidratado
Gases (a digestor)
PULPER
Recirculación de vapor
REACTOR
Fango
homogeneizado
e higienizado
Fango
hidrolizado
FLASH
TANK
Fango
hidrolizado y
despresurizado
a digestión
Vapor 10 bar
47
Tratamientos mecánicos
ƒ Ultrasonidos
Rompen la estructura del flóculo y de las propias células en el fango
activo
Mecanismos
M
can m de actuación
actuac n
„ Cavitación favorecida por las bajas frecuencias
„ Reacciones químicas por la formación de radicales libres (Hx y OHx) a
altas frecuencias
En tratamiento de fangos las bajas frecuencias son las más eficientes
(20 – 40 Hz)
Aplicando el tratamiento antes de digestión anaerobia mesofílica:
Incremento de producción de biogás 10 – 45%
La sonicación puede mitigar los problemas de bulking en el proceso o de
espumas en ell digestor
di
ƒ Otros
Lisis por centrifugación
Tratamientos mecánicos a alta presión para roturas de flóculos u células
Molinos de bolas
48
24
Tratamientos químicos
ƒ Oxidación
Ozono o peróxido de hidrógeno
Producen solubilización del fango
ƒ Tratamientos alcalinos
Efectivo en solubilización del fango
Ef
Eficacia:
N
NaOH
OH > KOH > M
Mg(OH)
(OH)2 y C
Ca(OH)
(OH)2
Pueden producirse inhibiciones en digestión posterior
49
ASPECTOS A CONSIDERAR EN LA COMPARACIÓN DE MÉTODOS DE
PRETRATAMIENTO
ƒ Fango a tratar: Primario (menos frecuente), fangos en exceso o fangos
mixtos.
ƒ Objetivo del pretratamiento:
Aumento de la volatilización y producción
p
de más biogás
Disminución de la producción de fangos
Mejora de la manipulación del fango (deshidratabilidad)
Reducción del volumen del digestor por aumento de la carga orgánica
admisible
ƒ Costos de tratamiento (Instalación y aspectos energéticos)
Los tratamientos biológicos a temperatura termofílica son similares en
rendimiento y consumo de energía a una simple etapa termofílica
Los pretratamientos de hidrólisis térmica requieren más energía térmica,
pero por su mejor rendimiento producen energía suficiente. Son los más
costosos de instalación.
Pretratamientos mecánicos: Hay que realizar un estudio del consumo
eléctrico del proceso y de la energía generada en función de la
producción de gas en cada caso basado en ensayos previos específicos. No
utilizar datos de otros casos.
50
25
ƒ Consumo de reactivos: Particularmente para los tratamientos de oxidación o
químicos
ƒ Liberación
de nutrientes
b
ó d
Contenido de N y P en los fangos activos: N = 10-12% VSS y P = 3-6%
VSS
Todos los pretratamientos aumentan los nutrientes en los líquidos de
retorno
En caso de tratamientos agresivos (hidrólisis térmica): Posible inhibición
de la digestión por exceso de amonio. Generación de DQO soluble no
biodegradable
51
5.3. CODIGESTION
ƒ Fundamento: Mezcla de los fangos de depuradoras con otros residuos
orgánicos para digestión conjunta.
ƒ Referencias con otros tipos de materia orgánica como producto principal y
diversos productos añadidos para la codigestión.
ƒ Numerosos estudios en planta de laboratorio y en planta piloto. Referencias a
escala real con los siguientes productos.
INSTALACIÓN EN LA
QUE SE APLICA
PRODUCTOS QUE SE CODIGIEREN
Digestores en depuradoras de
aguas residuales urbanas
- Residuos de mataderos
- Restos de alimentos y de cocina de hospitales y
supermercados y otros orígenes
- FOG (Grasas y aceites) de restaurantes
- Residuos de industrias alimentarias
Codigestión de fangos + fracción
orgánica de RSU
-
Residuos de cocinas de diverso origen
Residuos ganaderos
Residuos de industrias lecheras
Grasas y aceites
Tratamiento anaeróbico de
residuos ganaderos: vacunos,
purines o mezcla de ambos
-
Residuos ganaderos diversos
Purines
Residuos de industria alimentaria
Residuos vegetales
52
26
VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LA CODIGESTION PARA USO
EN DIGESTORES DE PLANTAS DE AGUA RESIDUAL URBANA
VENTAJAS
Para operadores de aguas residuales:
• Incremento de producción de biogás
• Reducción de demanda de energía externa
• Posibilidad de ingresos por residuos
aceptados
• Si instalación existente está sobre
dimensionada, no hay que ampliarla
Para industriales:
• Solución de problema de disposición de
residuos orgánicos
Beneficios ambientales:
• Aprovechamiento del biogás generado
• No emisión de metano en vertederos de
residuos
INCONVENIENTES
• Pretratamiento de la nueva aportación
de materia orgánica. A veces se
requiere una instalación casi tan
compleja como la propia depuradora.
• Perturbación de la digestión de la planta
existente por puntas de carga y tóxicos
de las nuevas aportaciones.
• Grandes problemas desconocidos o sin
acotar adecuadamente por el aumento
de diversos tipos de contaminantes en
los retornos a la línea de agua.
• Necesidad de un marco administrativo,
legal y de competenecias complejo que
no existe.
• No hay que suponer que en las
depuradoras de aguas residuales
existentes sobra volumen en general.
53
5.4. EXCESO DE ESPUMAS (FOAMING)
ƒ En el pasado solía estar bastante relacionado con el arranque de los
digestores. Parece más frecuente actualmente.
CAUSAS MÁS CITADAS DE LA PRODUCCIÓN DE ESPUMAS
SEGÚN SU ORIGEN O PROCEDENCIA
Tratamiento primario
Grasas
Aceites
Tóxicos
Agentes tensioactivos
Tratamiento secundario
Bacterias filamentosas: Nocardia, Microthrix (aumentan con ciertas
configuraciones de procesos de eliminación de nutrientes)
Espesado
Adi ió excesiva
Adición
i d
de polímeros
lí
Digestión anaerobia
Tiempo de retención escaso
Carga excesiva
Operación intermitente
Mezclado mecánico inadecuado
Sistemas de mezclado con biogás
Presencia de tensioactivos
55
27
POSIBLES RAZONES DE FORMACION DE UN EXCESO DE ESPUMAS
DURANTE EL PROCESO DE DIGESTION
Perturbaciones en la digestión a causa de desequilibrios metabólicos.
Consecuencia: Excesiva producción de tensioactivos biológicos debido a la lisis
celular.
Causante: Fangos en exceso
Combinación de lo anterior con excesiva concentración de AGV y presencia de
biogás.
Problemas en la metabolización de las proteínas
Producción excesiva de polímeros extracelulares que incrementan la
viscosidad y estabilizan las espumas
La presencia de grasas, aceites y polímeros extracelulares, contribuyen a
estabilizar la espuma
56
FLUJO DE LIQUIDO Y GASES AUMENTA EL PROBLEMA
ƒ
Producción de gas por día: 80-100% del volumen del digestor
ƒ
producción de biogás
g siguen
g
con p
poco desfase a p
picos de
Además: Picos de p
alimentación
ƒ
En contraste, alimentación diaria de fangos: 5% del volumen del digestor
ƒ
Sistemas de mezcla con gas no crean el problema, pero lo aumentan
ƒ
Consecuencia:
½ La superficie de separación fase líquida – fase gas es muy
turbulenta, independientemente del sistema de mezcla.
½ Formación de espumas y lenta evacuación del gas, produce altas
presiones en cubierta.
™ Cubiertas fijas: Daños
™ Cubiertas flotantes: Daños, fugas
57
28
CONSECUENCIAS DE LA PRODUCCION DE ESPUMAS
ƒ Proceso
½
½
½
½
Pérdida de capacidad del sistema
Atascamiento de
d llas conducciones
d
d
de gas
Interferencia con los sistemas de control
Problemas con cubiertas fijas y sobre todo con móviles
ƒ Económicos
½
½
½
½
½
½
Menor producción de energía
Mayor producción de fangos finales
Mayor consumo de gas o gasoil
Mayor consumo de polímeros en deshidratación
Mayores gastos de operación y mantenimiento
Posibles gastos de antiespumantes o de potencia en agitadores
mecánicos
58
MEDIDAS PARA MITIGAR O COMBATIR LAS ESPUMAS
( Operación
ƒ Estabilizar carga orgánica diaria de modo que haya pocas
variaciones
ƒ Alimentación frecuente
ƒ Consecuencia:
½ Menores perturbaciones metabólicas
½ Disminución picos de producción de gas
ƒ Minimizar la posible septicidad de fangos primarios o espesadores
de gravedad
ƒ Posibilidad de tratar fangos en exceso de forma separada
59
29
( Modificaciones de los equipos
ƒ Automatizar la alimentación a digestores para rotarla con alta
frecuencia y homogeneizar las cargas
ƒ Mejorar los alivios de altas presiones en cubiertas.
ƒ Controlar niveles en los digestores
ƒ Instalar sistemas de rotura de espumas:
½ Toberas con agua a presión
½ Mezclado
M
l d mecánico
á i en superficie
fi i (Además
(Ad á d
dell mezclado
l d
global del digestor)
60
( Modificaciones del proceso
ƒ Digestión en dos fases: ácida – metánica
½ Mejor hidrólisis de filamentos en fase ácida combinada con
menor producción de gas
ƒ Digestión en etapas con termofílica en primera etapa.
½ Estudios de higienización han demostrado como
consecuencia secundaria una mejora en espumas aunque
menos que con la fase ácida
ƒ Incorporar sistemas de lísis de células (fangos en exceso):
½ Hidrólisis térmica
½ Ultrasonidos
½ Ozonización, etc.
61
30
INDICE
1. Introducción
2 Evolución de los sistemas de digestión
2.
3. Configuraciones y sistemas de mezcla.
4. Situación en España
5. Aspectos y problemas en debate
6 Conclusiones
6.
7. Referencias
62
6. CONCLUSIONES
1. Digestión anaerobia : Método más utilizado para la estabilización de
fangos en depuradoras
2. Evolución:
Di stió b
Digestión
baja
j carga
Digestión alta carga: Mesofílica y Termofílica
Digestión 1ª y 2ª
Digestión por etapas
TPAD Æ STAD
Digestión en 2 fases
Sistemas que prevalecen
prevalecen:
ƒ Digestión alta carga dominando la temperatura mesofílica
ƒ Empleo de la termofílica fundamentalmente por eliminación de
patógenos
ƒ Los sistemas TPAD ceden a favor de los STAD – Pocas referencias a
escala real
ƒ La digestión en dos fases se abre paso lentamente – Pocas
referencias a escala real
63
31
3. Configuraciones. Evolución a configuraciones y sistemas de agitación
para conseguir:
Buena mezcla
Pocas sedimentaciones
Facilidad de mantenimiento
Menos frecuencia de limpieza
p
4. Situación en España
ƒ Domina: Digestión mesofílica en una etapa. Se ha ido abandonando el
digestor “secundario”
ƒ Configuración: Fondos con poca pendiente
ƒ Agitación: No hay forma dominante. A veces alguna deficiencia
ƒ Criterios de diseño: Muy similares
ƒ Pre-espesamiento:
Pre espesamiento: Múltiples deficiencias
ƒ Generación energía: Gran dispersión
ƒ Deshidratación: Dominan centrífugas
ƒ Reactivos: Uso frecuente FeCl3 y menos frecuente cal
64
5. Aspectos y problemas en debate
ƒ Desinfección
•
•
•
•
Norma española: Anticuada
Norma europea: No se aprueba nunca
Norma americana: negativa para digestión anaerobia
Grupo AS.K. – 2.2. de la DWA: Positiva para digestión termofílica
ƒ Pretratamientos
•
•
•
•
Biológicos: Usado fundamentalmente con una primera etapa termofílica
Hidrólisis térmica: Buenos resultados
Complejo
p j y costoso
Mecánicos: No están maduros
Más utilizado: Ultrasonidos
Químicos: emergentes
Considerar siempre efectos secundarios
65
32
ƒ Codigestión:
•
•
•
Requiere estudios detallados en casa caso
Posible perturbación digestión existente
Falta de marco administrativo y legal
ƒ Esquemas
•
•
Un buen diseño y operación pueden reducir el problema
Requiere mucha atención en la planta
66
7. REFERENCIAS
(1) – US EPA (1999) – Standards for the Use or Disposal of Sewage Sludge
(2) - WET, Nov. 2000
((3)) - TPAD versus other thermophilic
p
anaerobic digestion
g
processes: A rep
evaluation. Presentado en WEFTEC 2008
(4) - Overview of best anaerobic digestion technologies when sustainability
is important. WEF, Residuals and Biosolids 2009
(5) – Update on 2-Phase AG Systems. WEF, Residuals and Biosolids 2009
67
33
Descargar