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Ponencia

Experiencia piloto: digestión anaerobia termófila

Autores:Laura Pastor AlcañizJose Antonio Pascual Valero[ ]

VII JORNADAS TÉCNICAS DE SANEAMIENTO Y DEPURACIÓN

Producción y Aprovechamiento de Biogás en la Depuración de las Aguas Residuales Urbanas

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Experiencia piloto: digestión anaerobia termófilaDepuración de Aguas del Mediterráneo

1. Antecedentes

2. Objetivos

3. Descripción planta piloto

4. Sistema TAnD

5. Monitorización de patógenos

Índice

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AntecedentesExperiencia piloto: digestión anaerobia termófila

• Evolución tecnología aprovechamiento energético de biogás

Optimización de la digestión anaerobia:

– Incremento producción de biogás y su calidad

– Obtener un lodo con valor agronómico• Legislación vigente:

– Directiva 86/278 (relativa a la protección del medio ambiente y en

particular, de los suelos en la utilización de lodos de depuradora en

agricultura)

CUARTO BORRADOR: que modifica la Directiva 86/278

– Real Decreto 1310/1990 (por el que se regula la utilización de los lodos

de depuración en el sector agrario)

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Antecedentes

• Borrador Directiva de lodos de la Unión Europea

– Metales pesados (Cd, Hg, Pb, Cu, Cr, Ni y Zn)

– Compuestos orgánicos (PBC, dioxinas, furanos…)

– Microorganismos patógenos• Escherichia coli < 1x103 ufc/g (peso seco)• Clostridium perfringens: máximo 3x103 esporas/g (peso seco)• Ausencia de Salmonella sp. en 50 gramos (peso fresco)

• Proceso clasificado como tratamiento avanzado en el Anexo I del cuarto borrador:

“Estabilización aerobia o anaerobia a temperatura mínima de 55ºC durante un periodocontinuo de tiempo de al menos 4 horas. Las plantas deben de ser diseñadas para manteneruna temperatura de al menos 55ºC con un tiempo de retención medio suficiente como paraestabilizar el fango”


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Antecedentes

• Digestión Anaerobia Termófila (TAnD):

• Digestión anaerobia termófila• Rango de temperatura 50 – 65 ºC

• Características Sistema TAnD:

• Elevadas velocidades de reacción• Menor tiempo retención • Elevada producción de biogás• Mayor resistencia a la formación de espumas• Mejor deshidratabilidad del fango obtenido• Eliminación de patógenos

• Proceso menos estable (controversia en la literatura)• Elevada concentración de AGV en estado estacionario• Arranque del proceso


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1. Antecedentes

2. Objetivos


4. Sistema TAnD


Índice

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Objetivos

• Diseño y construcción de una planta piloto TAnD

• Resultados de la planta piloto TAnD instalada en la EDAR de Molina de Segura

– Rendimientos de eliminación de materia volátil y de patógenos – Producción de biogás– Viabilidad del fango como enmienda orgánica al suelo


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1. Antecedentes

2. Objetivos


4. Sistema TAnD


Índice

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Descripción planta piloto

• Caudal de diseño: 25.000 m3/día• Población: 290.000 habitantes.

• Decantación• Fangos activos• Coagulación, floculación, filtración • Ultravioletas • Espesador de gravedad• Espesador mecánico • Estabilización anaerobia

TAnD


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• Elementos planta piloto:

• Reactor-digestor (15 m3)

• Bomba de alimentación de fangos

• Electroválvula de descarga del

fango

• Sistema de agitación

• Sistema de calefacción

• Línea de gas: caudalímetro de gas

y válvula de sobrepresión

• Sondas de proceso

• SCADA de control


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BOMBA DE ALIMENTACIÓN DE FANGO

VACIADO DE LA PLANTA

VÁLVULA AUTOMÁTICA DE VACIADO

SONDA Tª y CONDUCTIVIDAD RECIRCULACIÓN


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CAUDALÍMETRO DE ENTRADA

ENTRADA FANGO SONDA Tª Y COND

INTERCAMBIADOR DE CALOR

CAUDALÍMETRO DE GAS


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1. Antecedentes

2. Objetivos


4. Sistema TAnD


Índice

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Operación planta piloto

ESTRATEGIA DE ARRANQUE DEL DIGESTOR:

• Siembra con fango mesófilo de la EDAR Molina de Segura

• Subida de temperatura a 55ºC directamente

• Sin alimentar durante 20 días

• Velocidad de carga orgánica inicial = 0,7 kg SV/m3·d

• Incremento progresivo de la velocidad de carga orgánica hasta 1.0 - 1.6 kg SV/m3·d


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Sistema TAnD

PERIODO A: Arranque digestor


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Sistema TAnDExperiencia piloto: digestión anaerobia termófila

Período A Período DPeríodo CPeríodo B

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Período A Período DPeríodo CPeríodo B

Entrada mayor proporción fango primario

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Sistema TAnD

Resultados concordantes con la bibliografía:

“El aumento de la concentración de ácidos grasos volátiles está relacionado con la

disminución en la producción de biogás”


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Sistema TAnD

FECHA CH4 (%)

10/10/2011 52,4

20/10/2011 63,3

21/10/2011 61,6

22/10/2011 61,5

24/10/2011 62,4

% CH4:


Parámetro DA Mesófila Período B Período C Período D

Qdiario (m3/d) 130,9 0,3 0,4 0,6

% MS 5,9 5,7 5,1 4,4

% MV 75,0 74,0 73,4 74,0

Carga (kg SV/m3/d) 0,8 1,0 1,1 1,6

% MS 3,3 3,0 2,8 2,8

% MV 61,8 63,6 63,1 62,3

Rendimiento EV (%) 45,9 38,6 38,1 42,0

Tiempo retención (d) 59,3 40,8 34,7 20,3

Tª (ºC) 38,1 54,6 52,5 53,9

pH 7,7 7,8 7,6 7,9

Conductividad (mS/cm) ---- 10,1 10,6 10,9

Redox ---- -18,7 -14,6 -38,7

AGV (mg/l) 226,0 2850,8 2627,0 2.031,9

ALC (mg CaCO3/l) 3.245,0 5.066,6 3.974,4 3.973,8

AGV/ALC 0,1 0,5 0,6 0,5

Nm3/kgMValim 0,48 0,38 0,47 0,53

Nm3/kgMVelim 1,09 1,05 1,40 1,30

ENTR

AD

A

SALI

DA

BIO

GÁ

S

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Sistema TAnD

1. Test de jarreo: se determina tipo y dosis mínima de floculante

2. Test de drenaje: se valora la velocidad y cantidad de agua drenada

ESTUDIO COMPARATIVO DESHIDRATABILIDAD


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Sistema TAnD

• Dosis óptima: 3 veces menor para fango mesófilo. A escala real esta diferencia no debe ser tan elevada.

• Mezclado de fango (TF) con el polímero es más costoso en el termófilo que mesófilo

• El flóculo con fango termófilo es más resistente que el mesófilo (TR)

• Proceso de refloculación: el mezclado de ambos fangos con el polímero es del mismo orden, mejorandotambién en este caso la resistencia a la rotura en el fango termófilo

Test de jarreo


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Sistema TAnD

Test de drenaje:

Se observa que la velocidad de drenaje de agua, asícomo el volumen drenado, es mayor para el caso delfango termófilo


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Sistema TAnD

Conclusiones deshidratabilidad:

• Demandad de floculante (dosis):

• La dosis a nivel de laboratorio para la correcta floculación del fango termófilo, es casi 3 veces superior ala dosis necesaria con fango mesófilo.

• No obstante se espera que esta diferencia no sea tan elevada a escala real.

• Resistencia de la rotura de los flóculos:

• Tanto en la resistencia a la rotura de la floculación, como en la resistencia a la rotura de la re floculación,los flóculos formados con el fango termófilo, son mucho más resistentes que los del fango mesófilo.

• Esto indica que se puede alcanzar una mayor sequedad a la salida.

• Agua drenada:

• El fango termófilo ofrece una mayor velocidad de drenaje de agua, así como un mayor volumen de aguaescurrida. Ventaja para la deshidratación ya que la cantidad de agua retenida por el fango termófilo esmenor, separándose de él más fácilmente.


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Sistema TAnD

Tamaño de partícula

Fango termófilo: menor cantidad de partículas grandes


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Considerando:

Poder calorífico biogás: 5000 Kcal/m3

Rend. Combustión en calderas: 80%

Pérdidas en intercambio: 5%

Producción EE en Motogeneración: 1,8 kwh/m3

Precio medio EE: 8,73 c€/kwh

Balance energético:

Unidades Mesófilo Termófilo

Incremento

generación€/año

BALANCE EE €/año

Producción

específicaNm3/kg Mva

20.992

-34.394

0,47 0,53

Capacidad

Generaciónkwh/día 5.149 5.806

Coste

calentamiento€/año 76.621 132.007

Sobrecoste

calentamiento€/año 55.386

Caudal de gas en

calderasNm3/h 56 96

EE eq. kwh/h 100 173

Necesidad calor

en calderasKcal/h 208.732 359.616

BALANCE NETO: Considerando <TRH

TAnD: Permite trabajar a menor TRHReducción Volumen Digestor: 33 %

Sobrecoste

calentamiento€/año 18.823

Incremento

generación€/año 20.992

BALANCE EE €/año 2.170

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Conclusiones Sistema TAnDExperiencia piloto: digestión anaerobia termófila

Del estudio realizado se deprenden las siguientes conclusiones:

Las diferencias de un digestor termófilo con respecto a un mesófilo son:

- Se puede trabajar a menores tiempo de retención y mayores velocidades de carga orgánica sin que suponga una desestabilización del sistema

- Se obtienen elevadas producciones de biogás e incluso superiores

- La concentración de ácidos grasos volátiles en el digestor es superior

- Se necesita una mayor dosis de polielectrolito para deshidratar el fango

- Se obtiene un fango más resistente y además es posible alcanzar mayores sequedades tras la deshidratación del fango

- Las necesidades energéticas para calentar el fango son superiores aunque se podría compensar por la mayor calidad del fango obtenido y la disminución en el volumen necesario de digestor

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1. Antecedentes

2. Objetivos


4. Sistema TAnD


Índice

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ENSAYO COMPARATIVO DE MONITORIZACION DEMICROORGANISMOS PATÓGENOS EN EL SISTEMATanD implantado en comparación con un sistemaanaerobio mesófilo

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Monitorización patógenosExperiencia piloto: digestión anaerobia termófila

ENTRADA TAnD MESÓFILO

Tiempo(días)

ColiformesTotales

E. coli C. perfringens Salmonella spp.ColiformesTotales


E. coli C. perfringens Salmonella spp.

1 1,3.106 1,9.10 5 5,7.10 6 Presencia < 1 < 1 3,0.10 5 Ausencia 1,5.10 2 8,3.10 1 3,1.10 5 Presencia

6 2,2.10 2 1,8.10 3 3,9.10 6 Presencia < 1 < 1 1,0.10 5 Ausencia 1,3.10 3 4,7.10 2 3,8.10 5 Presencia

13 1,1.107 2,3.10 6 7,5.10 5 Presencia < 1 < 1 1,1.10 5 Ausencia 8,0.10 5 7,3.10 4 6,3.10 5 Ausencia

20 6,8.10 4 5,7.10 3 1,7.10 5 Presencia < 1 < 1 5,3.10 4 Ausencia 1,5.10 1 1 6,6.10 5 Presencia


34 6,6.10 5 3,6.10 4 1,0.10 5 Presencia < 1 < 1 2,7.10 4 Ausencia 6,5.10 2 4,9.10 2 1,1.10 5 Ausencia




61 2,9.10 6 1,4.10 5 1,5.10 5 Presencia < 1 < 1 5,4.10 4 Ausencia 1,0.10 1 < 1 1,4.10 5 Ausencia

69 6,4.10 2 4,9.10 2 6,1.10 4 Presencia < 1 < 1 9,1.10 4 Ausencia * * * *

74 8,1.10 5 9,0.10 4 1,8.10 5 Presencia 9,0 < 1 3,6.10 4 Ausencia * * * *








138 1,7.10 8 6,0.10 6 1,1.10 5 Ausencia < 1 < 1 7,4.10 4 Ausencia 2 ,0.10 5 1,9.10 4 9,3.10 4 Ausencia

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Tiempo(días)

ColiformesTotales



E. coli C. perfringens Salmonella spp.




186 5,3.10 7 7,0.10 5 2,9.10 5 Presencia 4,3.10 1 4,0.10 1 8,1.10 3 Ausencia 1,5.10 5 1,9.10 4 3,4.10 5 Presencia











279 * * * * < 1 < 1 6,8.10 3 Ausencia * * * *

294 8,6.10 5 2,0.10 5 1,7.10 5 Presencia < 1 < 1 6,3.10 4 Ausencia 1,4.10 2 2,5.10 1 1,6 .10 5 Ausencia

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La velocidad de las reacciones enzimáticas aumenta rápidamente

ÓPTIMOLa velocidad de las reacciones enzimáticas es

máxima

MÁXIMODesnaturalización de las proteínas

Temperatura

MÍNIMOLos procesos de transporte

son muy lentos

Rango de crecimiento

Curva de crecimiento de microorganismos en función de la temperatura

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Contenido medio en microorganismos patógenos

La digestión anaerobia termófila permite una higienización de los lodos en cuanto a Salmonella spp y E. coli,reduciendo también los niveles de Clostridium perfringens, aunque en este último caso estos sobrepasan los exigidospor el borrador de la Directiva Europea, por lo que es necesario el incrementar de algún modo su reducción. El estudiocomparativo con la digestión mesófila, muestra cómo la digestión anaerobia termófila es más efectiva que la primeraen cuanto a la eliminación de patógenos, por lo que parece plausible el empleo de este tratamiento en detrimento de la

digestión mesófila.

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Parámetro TAnD Mesófilo EntradaValores límite

pH 7,3 7,7 6,2 -

C. E. (µS/cm) 13.530 13.683 7.150 -

Mat. org. total % 67,1 60,3 88,3 -

Nitrógeno total % 8,11 8,77 10,99 -

Fósforo %P2O5 3,12 2,91 2,36 -

Potasio %K2O 0,59 0,63 0,52 -

Cobre (mg /kg) 163 293 117 1000

Hierro (mg /kg) 30.101 42.887 19.023 -

Zinc (mg /kg) 449 649 343 2500

Níquel (mg /kg) 18 45 16 300

Plomo (mg /kg) 24 43 23 750

Cadmio (mg /kg) < 0,5 < 0,5 < 0,5 10

Cromo (mg /kg) 27 35 22 1000

CromoVI (mg /kg) < 1,0 < 1,0 < 1,0 400

Mercurio (mg /kg) < 0,01 < 0,01 < 0,01 10

Nutrientes y Metales Pesados (sobre materia seca)

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ELIMINACIÓN DE Clostridium perfringens MEDIANTE CAMBIOS DE TEMPERATURA

-0,5

0,5

1,5

2,5

3,5

4,5

5,5

0 1 2 3 5

tiempo (días)

log (ufc

/mL)

Incubación 65-40-65ºC Aerobia Incubación 40-55ºC Aerobia

Incubación 40-65ºC Aerobia Incubación 40-65ºC Anaerobia

Incubación 40-55ºC Anaerobia

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ELIMINACIÓN DE Clostridium perfringens MEDIANTE CAMBIOS DE TEMPERATURA

El caso de mayor reducción es la incubación de 40 ºC-65 ºC aerobia y podría adaptarse a una EDAR mediante lainstalación de dos reactores continuos y agitados (CSTR) en serie, a continuación del digestor anaerobio termófilo. Enel primer reactor se bajaría la temperatura del lodo (procedente de la TAnD) desde 55 ºC a 40 ºC mediante unintercambiador de calor colocado en su interior, por el circularía agua fría o cualquier otro fluido refrigerante. Para untiempo de retención fijo de 24 h y un caudal de lodo dado, se determinará el volumen que debe tener el reactor encuestión.

En serie con el mismo, se colocaría el segundo reactor, dónde la temperatura será elevada hasta 65 ºC, con un tiempode retención de 5 días. En este caso, el sistema de calefacción podría ser semejante al anterior, mediante unintercambiador de calor colocado en su interior pero por el que, en este caso, circulará un fluido calefactor, o medianteun serpentín. Por último, y con el objetivo de obtener aire y pasar de condiciones anaerobias a aerobias, únicamentesería necesaria la colocación de un Venturi, de modo que la presión que contiene el lodo permita tomar el airenecesario. Este proceso ha sido previamente ensayado para el mantenimiento de un sistema ATAD en la misma plantahabiéndose obtenido resultados positivos (datos no mostrados).

Otra posible forma de llevar a cabo esta incubación, para el lodo procedente de la TAnD, consistiría en colocar en seriecon el anterior un sistema ATAD (Autoheated Thermophilic Aerobic Digestion) unidos por un intercambiador de calor,que baje la temperatura de 55 ºC a 40 ºC y lo mantenga así durante 24 h.

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ENSAYO DE APLICACIÓN DE LOS LODOS AL SUELO PARA ELCULTIVO DE PLANTAS DE MELÓN

Imagen de cada uno de los tratamientos a mitad del tiempo de cultivo. De izquierda a derecha: Control,

Control Fertilizado, TAnD, TAnD higienizado y Mesófilo.

15 30 45 60

ControlControl Fer

TAnD higTAnD

Mesófi lo

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

Lo

g (

ufc

/m

l)

tiempo (días)

Control Control Fer TAnD hig TAnD Mesófi lo

37


15 30 4560

ControlControl Fer

TAnD higTAnD

Mesófilo

0,00

1,00

2,00

3,00

4,00

5,00

Lo

g (

ufc

/m

l)

tiempo (días)

Control Control Fer TAnD hig TAnD Mesófi lo

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50

5,00

0 15 30 45 60 75tiempo (días)

Lo

g (

ufc

/m

l)

Control Control Fer TAnD hig TAnD Mesófilo

Evolución de microorganismospatógenos en el suelo enmendadocon diferentes tipos de lodo:

Coliformes totales

E coli

Clostridium perfringens

0

50

100

150

200

250

300

peso

(g)

Control Control

Fer.

TAnD hig. TAnD Mesófilo

Tratamientos

aa

a

b b

38


(a) Control (b) Control (c) TAnD higienizado (d) TAnD higienizado

ENSAYO DE APLICACIÓN DE LOSLODOS AL SUELO PARA EL CULTIVODE PLANTAS DE MELÓN

39


0,000

0,020

0,040

0,060

0,080

0,100

0,120

0,140

% N

Control Control

Fer.


Tratamiento

a

bb

bb

0

50

100

150

200

250

300

peso

(g)

Control Control

Fer.


Tratamientos

aa

a

b b

0,000

0,020

0,040

0,060

0,080

0,100

0,120

% P

Control Control

Fer.


Tratamiento

b

a

b b

b

ENSAYO DE APLICACIÓN DE LOSLODOS AL SUELO PARA EL CULTIVODE PLANTAS DE MELÓN

40


Los distintos tratamientos orgánicos muestran un efecto positivo en cuanto a

su respuesta en planta, siendo este significativamente superior en el caso del

suelo enmendado con lodo TAnD tanto higienizado como no.

En cuanto a la evolución o potencial reinfección por parte de microorganismos

patógenos humanos debido a los aportes que los tratamientos orgánicos

puedan proporcionar, el tratamiento TAnD higienizado es el que muestra

valores similares a los tratamientos químicos, y por tanto exentos de riesgos

sanitarios, seguido del lodo TAnD, siendo el tratamiento con lodo mesófilo el

que muestra los mayores valores durante el crecimiento de plantas de melón

en el suelo.

ENSAYO DE APLICACIÓN DE LOS LODOS AL SUELO PARA ELCULTIVO DE PLANTAS DE MELÓN

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Ponencia


Autores:Laura Pastor AlcañizJose Antonio Pascual Valero[ ]

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