Post on 20-Jun-2020
Estat de situació i exploració de noves possibilitats
Producció d’Energia en el Tractamenti la valorització de fangs
Marc Moliner
Barcelona, 1 d’Abril de 2009
Maria Martin
IV JORNADES TÈCNIQUES Gestió de sistemes de sanejament d’aigües residuals
Potencial químic del fang
EspessimentFangs
DecantadorPrimari
ReactorBiològic
DecantadorSecundari
Abocament /tractament terciari
Cogeneraciótorxa
Digestor Anaerobi Deshidratació de fangs
Emmagatzematge Biogas
24
5
1
Aigua Residual
Imatges: http://www.cmg‐germany.comDades: Shizas J.I. and Bagley D. (2004) Experimental determination of energy content of unknown organics in municipal wastewater streams. Journal of Energy Engineering ASCE 130 (2), 45-53
6
Corrent 1 2 3 4 5 6
Q (m3/d) 35.700 310 35.390 810 3430 4450 (pes)
E (KJ/d) 2,26x108 1,50x108 7,59x107 3,17x107 8,58x107 5,65x107
3
65% 15%Humitat
Com aprofitar el contingut energètic del fang?
Calor Electricitat Combustibles
Biogàs
TERMOQUÍMIC
PiròlisiGasificacióIncineració
QUÍMIC
Esterificació
BIOQUÍMIC
DigestióFermentació
PRETRACTAMENT
TECNOLOGIA
Biogas Upgrading to vehicle fuel standards and grid injection.IEA Bionergy 2006
DIGESTIÓ ANAERÒBIA[BIOQUIMIC]
Biogas Upgrading to vehicle fuel standards and grid injection.IEA Bionergy 2006
Component Biogàs
CH4 50‐75%
CO2 25‐50%
N2 0‐1%
SH2 0‐3%
Siloxans 0‐100 mg/m3
PILES COMBUSTIBLE
H2
Com aprofitar el contingut energètic del fang?
Calor Electricitat Combustibles
Biogàs
TERMOQUÍMIC
PiròlisiGasificacióIncineració
QUÍMIC
Esterificació
BIOQUÍMIC
DigestióFermentació
PRETRACTAMENT
TECNOLOGIA
Etanol
H2
Com aprofitar el contingut energètic del fang?
Calor Electricitat Combustibles
Biogàs
TERMOQUÍMIC
PiròlisiGasificacióIncineració
QUÍMIC
Esterificació
BIOQUÍMIC
DigestióFermentació
VaporEtanol
COINCINERACIÓ (FORN CLINQUER) INCINERACIÓ
Requereix operar sobre fase sòlida Operació sobre fase sòlida o semi‐sòlida
Incorporació de la matèria mineral al clínquer Genera cendres posteriorment valoritzables
Permet aprofitament tèrmic Valorització elèctrica de baix rendiment
No cal tractament addicional del gas Cal tractar els gasos de combustió
Incineració[TERMOQUIMIC]
Incineració[TERMOQUIMIC] EDAR Hamburg’s Köhlbrandhöft WWTP
Utilisation of energy from digester gas and sludge incineration at Hamburg’s Köhlbrandhöft WWTPR.D. Thierbach and H. Hanssen. Water Science & Technology Vol 46 No 4–5 pp 397–403, 2002
Incineració[TERMOQUIMIC] EDAR Hamburg’s Köhlbrandhöft WWTP
Utilisation of energy from digester gas and sludge incineration at Hamburg’s Köhlbrandhöft WWTPR.D. Thierbach and H. Hanssen. Water Science & Technology Vol 46 No 4–5 pp 397–403, 2002
Procés autotèrmic
% Matèria Seca
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
PCI (K
cal/Kg
Matèria Fresca)
-1000
-500
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
Incineració[TERMOQUIMIC] EDAR Hamburg’s Köhlbrandhöft WWTP
Utilisation of energy from digester gas and sludge incineration at Hamburg’s Köhlbrandhöft WWTPR.D. Thierbach and H. Hanssen. Water Science & Technology Vol 46 No 4–5 pp 397–403, 2002
Incineració[TERMOQUIMIC] EDAR Hamburg’s Köhlbrandhöft WWTP
Utilisation of energy from digester gas and sludge incineration at Hamburg’s Köhlbrandhöft WWTPR.D. Thierbach and H. Hanssen. Water Science & Technology Vol 46 No 4–5 pp 397–403, 2002
H2
Com aprofitar el contingut energètic del fang?
Calor Electricitat Combustibles
Biogàs
QUÍMIC
Esterificació
BIOQUÍMIC
DigestióFermentació
Vapor
TERMOQUÍMIC
PiròlisiGasificacióIncineració
Etanol
C6H10O5
24‐30 m3
Com aprofitar el contingut energètic del fang?
Concentració O2 procés
Volum de gas a tractar
TERMOQUÍMIC
Incineració Gasificació Piròlisi
1,7 m3
CO2+H2O 5CO + CO2+ 5H2 5CO+ 5H2 + C
> 17/2
1
0
Gasificació
O2
Piròlisi
24‐30 m3
Com aprofitar el contingut energètic del fang?
Concentració O2 procés
Volum de gas a tractar
TERMOQUÍMIC
1,7 m3
Incineració Gasificació Piròlisi
O2
4‐6 MJ/Nm3
10‐18 MJ/Nm3
14‐18 MJ/Nm3
(22‐30 MJ/Nm3)
24‐30 m3
Com aprofitar el contingut energètic del fang?
Concentració O2 procés
Volum de gas a tractar
TERMOQUÍMIC
1,7 m3
Maduresa tecnologia tractament fangs
Poder calorífic del gas
Incineració Gasificació Piròlisi
O2
H2
Com aprofitar el contingut energètic del fang?
Calor Electricitat Combustibles
Biogàs
QUÍMIC
Esterificació
BIOQUÍMIC
DigestióFermentació
Vapor
TERMOQUÍMIC
PiròlisiGasificacióIncineració
Syngas Oli Carbó
ASSECATGE
http://www.eisenmann.de
[TERMOQUIMIC]
Piròlisi (o Carbonització)[TERMOQUIMIC] Tobu sludge plant (Tokyo)
[TERMOQUIMIC] Piròlisi (o Carbonització)[TERMOQUIMIC] Tobu sludge plant (Tokyo)
Via humida[TERMOQUIMIC] The SlurryCarb™ Process
20‐30% ST
275‐325 ºC
100 t
98 t
2 tCO2
62 t 36 t50% ST
15 MJ/Kg
18 t
http://www.enertech.com/technology/slurrycarb.html
The SlurryCarb™ Process
http://www.enertech.com/technology/slurrycarb.html
Via humida[TERMOQUIMIC]
Costos sistemes aprofitament energètic
State of the art Report: Energy and Resource Recovery from sludge 2008
STOWA WERF UK WATER IRL
Com aprofitar el contingut energètic del fang?
H2
Com aprofitar el contingut energètic del fang?
Calor Electricitat Combustibles
Biogàs
QUÍMIC
Esterificació
BIOQUÍMIC
DigestióFermentació
Vapor
TERMOQUÍMIC
PiròlisiGasificacióIncineració
Syngas Oli Carbó
ASSECATGE
BiodieselPO4
3‐
EtanolAds/cat
Activated sludge is the solid or semi‐solid produced during biological treatment of industrial and municipal wastewaters. It contains a variety of microorganisms, which utilize the organic and inorganic compounds in the water as a source of energy and nutrients. Water treatment facilities in the United States produced approximately 13 billions pounds (dry basis) of sludge annually. This sludge could be a feedstock for biodiesel production. The literature indicates that sewage sludge contains approximately 20% ether soluble grease and fats, which could be converted into fatty acid methyl esters. Other investigators have extracted sludge using toluene and obtained 18% oil yield. Additionally, the cell wall membrane of microorganisms, the main component of sewage sludge, is mostly composed of phospholipids, which can be converted to biodiesel via acid and based catalyzed transesterification. An alternative method was evaluated to convert sewage sludge into biodiesel. The sludge was converted to free fatty acid via acid hydrolysis. Then, the free fatty acids were extracted with hexane and converted to biodiesel via acid catalyzed transesterification. Gravimetric yields ranged from 1.5% to 15% and analytical yields from 1% to 14%. This paper will describe the potential quantities, quality, and economics of biodiesel generated from sewage sludge. Additionally, the paper will show the effect of several sludge pretreatment techniques and water treatment facility operating conditions on the quality and quantity of biodiesel. The quality of biodiesel was measured using ASTM D 6751 standard methods.
Biodiesel [QUIMIC]
0,82 €/L
H2
Com aprofitar el contingut energètic del fang?
Calor Electricitat Combustibles
Biogàs
QUÍMIC
Esterificació
BIOQUÍMIC
DigestióFermentació
Vapor
TERMOQUÍMIC
PiròlisiGasificacióIncineració
Syngas Oli Carbó
ASSECATGE
Biodiesel
CultiusAcumuladors lípids
PO43‐
Etanol
27/43
Iv Jornades tècniques de gestió de sistemes de sanejament d’aigües residuals. Energia i sanejament
GESTIÓ DE FANGS A CATALUNYA (SITUACIÓ ACTUAL)
Destins a sortida d'EDAR 2008(t/any)
154.752
14.596
123.404
245.384
21568
4.079
287.475
Agricultura
Compostatge Gris
Assecatge Tèrmic
Pedreres
Estabilització
Abocador
Compostatge ACA
Compostatge Extern
Destins finals 2008(t/any)
422.989
15.738164
24.006215
Aplicació al sòl
Abocador
Pedreres
Valorització energètica
Altres
[PROGRAMA DE FANGS]
Producció: 584.589 t MF/any
28/43
Iv Jornades tècniques de gestió de sistemes de sanejament d’aigües residuals. Energia i sanejament
GESTIÓ DE FANGS A CATALUNYA
1997 Prova pilot utilització de llots secs a cimentera2002 Estudi de la Gasificació i Vitrificació d'El Prat del
Llobregat2004 Projecte VELL: Estudi de valorització energètica
de llots secs en plantes tèrmiques2006 Conveni de proves d'utilització de llots secs en
cimenteres2007 Avant-projecte planta de gasificació de fangs
Valorització energètica (Antecedents)
Valorització energètica (Propostes)Gasificació per plasma (Acciona/Solena)Vitrificació de fangs (UB)Conversió a Biodiesel (ASG International GmbH)Gasificació (Kalogeo)Gasificació (AGNI)Gasificació (Kopf)
[PROGRAMA DE FANGS]
29/43
Iv Jornades tècniques de gestió de sistemes de sanejament d’aigües residuals. Energia i sanejament
GESTIÓ DE FANGS A CATALUNYA
PROGRAMA DE FANGSPROGRAMA DE FANGS
Gestionar el curt terminiGestionar el curt terminiACTUACIONSACTUACIONS
R+D+iR+D+iAvaluaciAvaluacióó de noves vies de gestide noves vies de gestióó
[PROGRAMA DE FANGS]
30/43
Iv Jornades tècniques de gestió de sistemes de sanejament d’aigües residuals. Energia i sanejament
GESTIÓ DE FANGS A CATALUNYA
PROGRAMA DE FANGSPROGRAMA DE FANGS
Gestionar el curt terminiGestionar el curt terminiACTUACIONSACTUACIONS
[PROGRAMA DE FANGS]
La gestiLa gestióó del fang estdel fang estàà sotmesa a diversitat de sotmesa a diversitat de factors que la condicionen: legals, logfactors que la condicionen: legals, logíístics, stics, socials, ambientals, econsocials, ambientals, econòòmics, energmics, energèètics, ...tics, ...El El Programa de fangsPrograma de fangs ttéé per objectiu dotar al per objectiu dotar al
sistema de major capacitat per a fer front de forma sistema de major capacitat per a fer front de forma satisfactsatisfactòòria als factors que condicionen la gestiria als factors que condicionen la gestióó
31/43
Iv Jornades tècniques de gestió de sistemes de sanejament d’aigües residuals. Energia i sanejament
GESTIÓ DE FANGS A CATALUNYA[PROGRAMA DE FANGS]
FACTORS LEGALS (2008/98/CE)
Jerarquia de gestiJerarquia de gestióó de residus de residus (Article 4):(Article 4):1.1. PrevenciPrevencióó2.2. PreparaciPreparacióó per a la reutilitzaciper a la reutilitzacióó3.3. ReciclatgeReciclatge4.4. Altres valoritzacions (p.ex. EnergAltres valoritzacions (p.ex. Energèètica, Annex 2)tica, Annex 2)5.5. EliminaciEliminacióó (p.ex. Incineraci(p.ex. Incineracióó))
Principi de proximitat en la gestiPrincipi de proximitat en la gestióó de residus de residus (Article 16)(Article 16)
32/43
Iv Jornades tècniques de gestió de sistemes de sanejament d’aigües residuals. Energia i sanejament
ConnurbaciConnurbacióó de Barcelona: 68%de Barcelona: 68%
GESTIÓ DE FANGS A CATALUNYA (SITUACIÓ ACTUAL) Distribució de la producció (sense Besòs ni El Prat)
[PROGRAMA DE FANGS]
33/43
Iv Jornades tècniques de gestió de sistemes de sanejament d’aigües residuals. Energia i sanejament
PROGRAMA DE FANGS (CRITERIS)
Criteris de planificaciCriteris de planificacióó ACA:ACA:
–– DiversificarDiversificar la gestila gestióó per a disposar dper a disposar d’’alternatives en cas alternatives en cas
dd’’evolucievolucióó dels factors que la condicionendels factors que la condicionen
–– Aplicar els criteris de Aplicar els criteris de proximitat i autosuficiproximitat i autosuficièènciancia en la gestien la gestióó
–– Aplicar la Aplicar la jerarquia de gestijerarquia de gestióó de residusde residus::1.1. ReducciReduccióó,,2.2. ValoritzaciValoritzacióó3.3. DisposiciDisposicióó
–– ReducciReduccióó de lde l’’impacte de la gestiimpacte de la gestióó
[PROGRAMA DE FANGS]
34/43
Iv Jornades tècniques de gestió de sistemes de sanejament d’aigües residuals. Energia i sanejament
PROGRAMA DE FANGS (ACCIONS)Accions del Programa de Fangs:Accions del Programa de Fangs:1.1. ImplantaciImplantacióó de novesde noves digestions anaerdigestions anaeròòbiesbies en EDARen EDAR
2.2. MinimitzaciMinimitzacióó del destdel destíí a a abocadorabocador
3.3. ImplantaciImplantacióó de de nous compostatgesnous compostatges
4.4. AmpliaciAmpliacióó assecatges tassecatges tèèrmicsrmics
5.5. ValoritzaciValoritzacióó energenergèèticatica del fang secdel fang sec
6.6. ContinuContinuïïtat en ltat en l’’aplicaciaplicacióó a la l’’agriculturaagricultura de fang deshidratatde fang deshidratat
7.7. ContinuContinuïïtat en la utilitzacitat en la utilitzacióó de la capacitat de de la capacitat de compostatge compostatge privadaprivada
8.8. RecercaRecerca en millora i noves vies de gestien millora i noves vies de gestióó
[PROGRAMA DE FANGS]
35/43
Iv Jornades tècniques de gestió de sistemes de sanejament d’aigües residuals. Energia i sanejament
RESUM INVERSIÓ PROGRAMA DE FANGS
Actuacions del Programa de Fangs:Actuacions del Programa de Fangs:Digestions anaerDigestions anaeròòbiesbies
–– 20 actuacions noves20 actuacions noves–– InversiInversióó total: 29,69 Mtotal: 29,69 M€€ (22,34 M(22,34 M€€ en el PSARU)en el PSARU)–– Nova inversiNova inversióó: 7,35 M: 7,35 M€€
CompostatgesCompostatges–– 5 actuacions noves i 2 ampliacions5 actuacions noves i 2 ampliacions–– InversiInversióó total: 29,28 Mtotal: 29,28 M€€ (20,55 M(20,55 M€€ en el PSARU)en el PSARU)–– Nova inversiNova inversióó: 8,73 M: 8,73 M€€
Assecatges tAssecatges tèèrmicsrmics–– 4 ampliacions4 ampliacions–– Nova inversiNova inversióó: 20,00 M: 20,00 M€€
RecercaRecerca: 1,80 M: 1,80 M€€
InversiInversióó TotalTotal: 78,97 M: 78,97 M€€ (42,89 M(42,89 M€€ PSARU)PSARU)Nova inversiNova inversióó: 37,89 M: 37,89 M€€ (inclou dotaci(inclou dotacióó per Recerca)per Recerca)
[PROGRAMA DE FANGS]
36/43
Iv Jornades tècniques de gestió de sistemes de sanejament d’aigües residuals. Energia i sanejament
RESULTATS APLICACIÓ PROGRAMA DE FANGS
593.590 t MF593.590 t MF 624.774 t MF624.774 t MF
895.639 t MF895.639 t MF
270.865 t MF270.865 t MF
0
100.000
200.000
300.000
400.000
500.000
600.000
700.000
800.000
900.000
t MF/
any
2007 2014 Capacitat Excedent
Posttractament del Fang
Assecatge Tèrmic Compostatge grisCompostatge privat Compostatge ACASense posttractament abocador Sense posttractament pedreresSense posttractament agricultura
0
100.000
200.000
300.000
400.000
500.000
600.000
700.000
800.000
900.000
t MF/
any
2007 2014 Capacitat Excedent
Posttractament del Fang
Assecatge Tèrmic Compostatge grisCompostatge privat Compostatge ACASense posttractament abocador Sense posttractament pedreresSense posttractament agricultura
[PROGRAMA DE FANGS]
37/43
Iv Jornades tècniques de gestió de sistemes de sanejament d’aigües residuals. Energia i sanejament
RESULTATS APLICACIÓ PROGRAMA DE FANGS
Fang Barcelona 33% del totalFang Barcelona 33% del total(62% de l(62% de l’’assecat)assecat)
Destins Fi Programa
32,47%
37,50%
30,03%
Aplicació al sòl i jardineria Aplicació al sòl sense posttractamentDipòsit controlat Valorització energètica
Destins Fi Programa
32,47%
37,50%
30,03%
Aplicació al sòl i jardineria Aplicació al sòl sense posttractamentDipòsit controlat Valorització energètica
Posttractaments Fi Programa
19%
17%
12%52%
Assecatge Tèrmic Compostatge ACACompostatge Extern Sense Posttractament
Posttractaments Fi Programa
19%
17%
12%52%
Assecatge Tèrmic Compostatge ACACompostatge Extern Sense Posttractament
[PROGRAMA DE FANGS]
38/43
Iv Jornades tècniques de gestió de sistemes de sanejament d’aigües residuals. Energia i sanejament
RESULTATS APLICACIÓ PROGRAMA DE FANGS
ReducciReduccióó de la quantitat finalde la quantitat finalDiversificaciDiversificacióó de destinsde destins
0
100.000
200.000
300.000
400.000
500.000
t fan
g/an
y
2007 Fi de Programa
Destinacions Finals
Valoritzacióenergètica
Dipòsit controlat
Aplicació al sòlsenseposttractamentAplicació al sòl ijardineria0
100.000
200.000
300.000
400.000
500.000
t fan
g/an
y
2007 Fi de Programa
Destinacions Finals
Valoritzacióenergètica
Dipòsit controlat
Aplicació al sòlsenseposttractamentAplicació al sòl ijardineria
[PROGRAMA DE FANGS]
39/43
Iv Jornades tècniques de gestió de sistemes de sanejament d’aigües residuals. Energia i sanejament
ACTUACIONS D’OPTIMITZACIÓ ENERGÈTICA
[PROGRAMA DE FANGS]
–– ValoritzaciValoritzacióó energenergèètica del biogtica del biogààs generat en s generat en
digestidigestióó anaeranaeròòbiabia
–– Aplicar els criteris de proximitat en la gestiAplicar els criteris de proximitat en la gestióó
–– Cogeneracions com a font de calor per assecarCogeneracions com a font de calor per assecar
–– ReducciReduccióó del consum energdel consum energèètic i emissions de tic i emissions de
COCO22 en assecatges ten assecatges tèèrmicsrmics
–– ValoritzaciValoritzacióó energenergèètica fang sectica fang sec
–– OptimitzaciOptimitzacióó deshidratacideshidratacióó mecmecàànicanica
40/43
Iv Jornades tècniques de gestió de sistemes de sanejament d’aigües residuals. Energia i sanejament
VALORITZACIVALORITZACIÓÓ ENERGENERGÈÈTICA FANG SEC EN CIMENTERESTICA FANG SEC EN CIMENTERES
–– DiversificaciDiversificacióó de destins (capacitat disponible, 45%/1 planta)de destins (capacitat disponible, 45%/1 planta)
–– Aplicar els criteris de Aplicar els criteris de proximitatproximitat en la gestien la gestióó
–– Aplicar la Aplicar la jerarquia de gestijerarquia de gestióó de residusde residus::1.1. ValoritzaciValoritzacióó energenergèètica tica (recuperaci(recuperacióó de la calor de la calor
dd’’assecat)assecat)2.2. ValoritzaciValoritzacióó material material (fracci(fraccióó mineral)mineral)
–– ReducciReduccióó de lde l’’impacte de la gestiimpacte de la gestióó (reducci(reduccióó emissions emissions
COCO22))
–– Baixos costsBaixos costs dd’’inversiinversióó i di d’’explotaciexplotacióó
[PROGRAMA DE FANGS]
41/43
Iv Jornades tècniques de gestió de sistemes de sanejament d’aigües residuals. Energia i sanejament
GESTIÓ DE FANGS A CATALUNYA
PROGRAMA DE FANGSPROGRAMA DE FANGS
Gestionar el curt terminiGestionar el curt terminiACTUACIONSACTUACIONS
R+D+iR+D+iAvaluaciAvaluacióó de noves vies de gestide noves vies de gestióó
[PROGRAMA DE FANGS]
Necessitat de validaciNecessitat de validacióó a escala industriala escala industrial
42/43
Iv Jornades tècniques de gestió de sistemes de sanejament d’aigües residuals. Energia i sanejament
GESTIÓ DE FANGS A CATALUNYA (CONSIDERACIONS)
•• ValoritzaciValoritzacióó material/agrmaterial/agríícola: estalvi energcola: estalvi energèètic/econtic/econòòmicmic
•• Contingut dContingut d’’aigua en el fang limita laigua en el fang limita l’’aprofitament aprofitament energenergèètictic ll’’assecat previ del fang amb mitjans mecassecat previ del fang amb mitjans mecàànics o nics o calor procedent de fonts renovables calor procedent de fonts renovables
•• LL’’increment de lincrement de l’’exigexigèència en els criteris de gestincia en els criteris de gestióó del fang del fang (per motivacions legals i/o socials) (per motivacions legals i/o socials) Increment del consum Increment del consum energenergèètic dels tractaments i dels costs associats a la gestitic dels tractaments i dels costs associats a la gestióó
[PROGRAMA DE FANGS]
43/43
Iv Jornades tècniques de gestió de sistemes de sanejament d’aigües residuals. Energia i sanejament
A nivell estratA nivell estratèègic valorar la possibilitat de disposar gic valorar la possibilitat de disposar capacitat prcapacitat pròòpia per a la valoritzacipia per a la valoritzacióó energenergèèticatica del fang, del fang, sense assecatge tsense assecatge tèèrmic previ amb els segrmic previ amb els següüents objectius:ents objectius:
1)1) Diversificar les vies de gestiDiversificar les vies de gestióó
2)2) IndependitzarIndependitzar--se de lse de l’’evolucievolucióó dels mercats energdels mercats energèèticstics
3)3) Autonomia de gestiAutonomia de gestióó finalfinal
GESTIÓ DE FANGS A CATALUNYA (CONSIDERACIONS)
[PROGRAMA DE FANGS]
Estat de situació i exploració de noves possibilitats
Producció d’Energia en el Tractamenti la valorització de fangs
Marc Moliner
Barcelona, 1 d’Abril de 2009
Maria Martin
IV JORNADES TÈCNIQUES Gestió de sistemes de sanejament d’aigües residuals