Tratamiento de Aguas Residuales y Biogás con … · Oxidación en Agua Supercrítica Lagunas de...

Raul Muñoz Torre Dpto. Ingeniería Química y Tecnología del Medio Ambiente

Universidad de Valladolid

Tratamiento de Aguas

Residuales y Biogás con

Microalgas

Biotecnología

Algal

Eliminación

de

Nutrientes

Oxidación

contaminantes

orgánicos

Eliminación

Metales

Pesados

Captura de CO2

Test

Toxicidad

El potencial de la Biotecnología Algal

en Tratamiento de la Contaminación

Tratamiento

Aerobio

Tratamiento

Anaerobio

Oxidación en

Agua Supercrítica Lagunas de estabilización

Procesos de oxidación

avanzada

¿Existe espacio para la implementación de fotobiorreactores en en el Tratamiento de aguas del siglo XXI?

Tratamiento de Aguas Residuales

Agro-industriales en el Siglo XXI

El Binomio Agua-Energía

ENERGÍA ENERGÍA VERDE

TRATAMIENTO DE AGUAS

RESIDUALES

Biomasa de

Microalgas

SISTEMAS DE MICROALGAS Y

BACTERIAS

¿Energía verde a partir de microalgas?

Biogas

Biodiesel

Producción de

microalgas

Bioetanol ¿Cuanto cuesta esta biomasa?

Estimación de Costes de Producción Cultivos de 1 ha con TecnologíaActual 10 € /kg

Cultivos de 100 ha con TecnologíaActual 4 € /kg

Optimización del cultivo 0.4 € /kg

Todavía muy cara para su empleocomo materia prima para la producciónde bioenergía

Norsker et al. (2011). Microalgal production- a close look ateconomics, Biotechnology Advances 29: 24-27

A día de hoy la energía verde pasa por el

tratamiento de aguas residuales

TRATAMIENTO DE AGUAS

RESIDUALES

SISTEMAS DE MICROALGAS Y

BACTERIAS

Alta producción biomasa algal

+

Bajo consumo energetico

Producción neta de energía

Aplicaciones de microalgas en


En simbiosis con bacterias

Ganaderas

Metales pesados

Papeleras

Fenólicos

Colorantes

Organonitrilos

Vacuno

Porcino

Metabolismo heterotrófico

Acetato

Glucosa

Cresol

Fenol

Naftaleno

Fenantreno

Colorantes Nitrogenados

Metabolismo Autotrófico

Digestatos

N, P

Microalgas en el tratamiento de aguas

industriales con metales pesados Mecanismos Pasivos: rápidos, reversibles,

asociados a pared celular

Mecanismos Activos: requieren energía,

introducen el metal en la célula

Ciclo de oxigenación fotosintética en


Microalgas Bacteria

C

N

P

CO 2

NO 3 -

O 2

Biomass

Desventajas

Ventajas

DOC

NH4+

PO43-

Ciclo de oxigenación fotosintética en


Interacciones Complejas

Algicida

Materia extracelular Promotores de Crecimiento

Aumento de T

Aumento de pH

Aumento de OD

Bactericidas

Microalgas Bacterias

39-49

g O2 m-2 d-1 130-164

g O2 m-3 d-1

Aireación atmosférica

15 g O2 m-2 d-1

Agua residual de carga media (DBO 200 g O2 m-3)

Tiempo Hidraúlico de Residencia 1- 2 día

Potencial de la oxigenación

fotosintética

+

26

galgas m-2 d-1

(Tredici 2010)

0.35 kg DBO m-3 d-1

0.14 kg DBO m-3 d-1

0.21 kg DBO m-3 d-1

0.28 kg DBO m-3 d-1

0.42 kg DBO m-3 d-1

Lodos activos: 0.2 - 1 kg DBO m-3 d-1

Para un HRAP de 0.3 m y 1.9 g O2 galgae -1

Potencial de la oxigenación

fotosintética

Fotobiorreactores

☺ Menores costes de inversión (10-30 € m-2).

☺Menores costes de operación (3-5 veces menores)

☻ Menores productividades (0.06-0.09 g l-1 dia-1)

☺ Mayores productividades (0.7-1 g l-1 dia-1)

☻Altos costes de inversión (>100 € m-2).

☻ Altos costes de operación

☻ Ensuciamiento

• Canales 3-10 metros

• Longitud /anchura: 40/1

• Profundidad 10-40 cm

• Areas: 1500-5000 m2

• Tubos de 3-12 cm diámetro

• Longitud 10-100 m

Implementación a gran escala


¿Y se puede degradar cualquier

contaminante orgánico en

sistemas simbióticos?

Degradación de

contaminante Producción de O2 - Demanda de O2 > 0

10CO2 + 2NH4+ + 5H2O 2C5H8O2N + 2H+ + 10.5O2

Producción de O2

1.05 mol O2 mol CO2-1


Demanda de O2 = f ( Estado de oxidación del C en el contaminante)

CH4

10 CH4 + 20 O2 10 CO2 + 20 H2O

5 CH4 + NH4+ + 4.75 O2 C5H8O2N + H+ + 20 H2O

1.65 mol O2 mol CH4-1 or 2.47 mol O2 mol CO2

-1 > 1.05 mol O2 mol CO2-1

CH3OH

10 CH3OH + 15 O2 10 CO2 + 20 H2O 5 CH3OH + NH4

+ + 2.25 O2 C5H8O2N + H+ + 7.5 H2O

1.15 mol O2 mol CH3 OH-1 or 1.72 mol O2 mol CO2-1 > 1.05 mol O2 mol CO2

-1

C6H12O6

10/6 C6H12O6 + 10 O2 10 CO2 + 20 H2O 5/6 C6H12O6 + NH4

+ + 0.25 O2 C5H8O2N + H+ + 7.5 H2O

0.68 mol O2 mol C6H12 O6-1 or 1.02 mol O2 mol CO2

-1

Sin aporte de O2 externo (o CO2) no es posible la biodegradación de contaminantes muy reducidos

0

50

100

150

200

0 5 10 15 20 25

CH

4(g

m-3

)

0

200

400

600

800

0 5 10 15

CH

3O

H (

g m

-3)

0

200

400

600

800

0 1 2 3 4

C6H

12O

6(g

m-3

)

Tiempo (d) Tiempo (d) Tiempo (d)

CH4

CH4 + HCO3-

CH3 OH

CH3 OH + HCO3-

C6H12O6

C6H12O6

+

HCO3-


Figura: Ensayos de biodegradabilidad en lote de contaminantes con diferentes estados de oxidación.

Metano = -4; Metanol = -2 ; Glucosa = 0.

Tiempo (d) Tiempo (d) Tiempo (d)

Bahr y col. 2011. Appl. Microbiol Biot.

Potencial en la eliminación de

nutrientes

C106H181O45N16P

• Nitrógeno Proteína

• Fósforo Material genético y membranas

(Oswald, 1988)

• Volatilización de NH3 en HRAP: debido a los altos pH

NH4+ ↔ H+ +NH3

Nitrificación y Desnitrificación simultánea en el floculo alga-

bacteria a altas cargas

• Precipitación de P a pH altos en presencia de Ca2+

3 HPO42- + 5Ca2+ + 4OH- →

Ca5(OH)(PO4)3 + 3H2O

ELIMINACIÓN

ASIMILATORIA

ELIMINACIÓN

ABIÓTICA

ELIMINACIÓN

DISSIMILATORIA

26

g SST m-2 d-1

2.3

g N-NH4+ m-2 d-1

7.8

g N-NH4+ m-3 d-1

N = 9 % 0.26

g PO43- m-2 d-1

3.5

g PO43- m-3 d-1

Agua Residual 40 g N m-3 HRT 5 días

P = 1 %

Agua residual 5 g P-PO4-3 m-3

HRT 6 días

Potencial en la eliminación de

nutrientes

¿Y en aguas industriales con bajo

contenido en nutrientes?

Digestión anaerobia para

recuperación de nutrientes!

Alcántara y col. (2013) Chem. Eng. J

¿Y en aguas industriales con bajo

contenido en nutrientes? C

pa

rtic

ula

do

CH4

C par

CO2

60 % N 80 % P

C p

art

icu

lad

o

C par

CH4

Hidrólisis de C del 55-60 %

CO2 = 21 % CH4 = 35 %

Alcántara y col. (2013) Chem. Eng. J

CO2

Tratamiento de Aguas de Industria

Química Iluminación continua Ciclos luz/oscuridad 14/10

Acetonitrilo

Biomasa

Biomasa Acetonitrilo

Muñoz y col. (2005) Wat Sci. Technol Biodegradación de salicilato 1 g/l

Sistema de microalgas

y bacterias

Muñoz y col. (2004) Biot Bioeng.

Tratamiento de Aguas Ganaderas

30 % Nitrificación

Tratamiento de purines de cerdo

RE =80 % RE =70 %

De godos y col. (2009) Bior. Technol.

Alta Biodiversidad

Estructura de la comunidad bacteriana determinada por

condiciones estacionales y ambiental

Filos dominantes: Verrucomicrobium, Firmicutes y

Proteobacteria (Resistentes a UV y bacterias formadoras

de flóculos)

Tratamiento de Aguas Domésticas

≈

Scenedesmus Chlorella Nitzschia

¿Qué microalgas predominan en estos

sistemas?

Euglena Oscillatoria Chlamydomonas

Cargas orgánicas

altas

Cargas orgánicas medias

0

1

2

3

4

Algas verdes Diatomeas Flageladas Cianobacterias

Nº

de

Gé

ne

ros

Top 10 Tolerancia a Contaminación orgánica

(Palmer, 1969)

¿Cultivos de microalgas unialgales en

HRAPs tratando aguas residuales?

MANTENER UNA COMPOSICIÓN DE BIOMASA CONSTANTE EN EL TIEMPO PARECE DIFICIL !!

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

I II III

De godos y col. (2009) García y col. (2000)

Tratamiento de aguas ganaderas Tratamiento de aguas domésticas

Fig. 5: Dynamics of microalgae population in percentage of number of cells in (a)

HRAP 1, and (b) HRAP 2. Chlamydomonas, Microspora, Chlorella,

Nitzschia, Achnanthes, Protoderma, Selenastrum, Oocystis,

Ankistrodesmus.

Limitaciones del tratamiento de

aguas residuales

Pérdidas de agua

0.3-0.4 m3 / kgalga

NH3 en HRAP debido a los altos pH

NH4+ ↔ H+ +NH3

e.j 30 mg NH4+ /l y pH = 8

Disminución rendimiento

depuración

≈10 % agua de carga baja

≈13 % agua de carga media

≈21 % agua de carga alta

Tóxicos orgánicos: menor tolerancia que bacterias

e.j. Chlorella < 3 mg PCP/l

Lodos activos < 30 mg PCP/l

EVAPORACIÓN

INHIBICIÓN

Limitaciones del tratamiento de aguas

residuales

Altos

Flujos

Biomasa de

bajo coste

Clarificadores operan a cargas volumetricas 10

veces menos que con lodos activos

Flotación

Eliminaciones 85 % Concentración 0.01 5 % Cargas volumétricas × 10

Biopelícula

Pobre

cosechado

Inhibición

Bajas

µ

☺ Efluentes libres de

biomasa

☺ Retención de biomasa

☺ Protección frente a

Inhibición

FOTOBIORREACTORES DE BIOPELÍCULA

Tratamiento de aguas ganaderas

Volumen 8 L

HRT = 7 días

Dilución del agua residual 8, 4, 2 y 1

Chlorella sorokiniana + lodo activo

PO43-

sal

PO43-

en

Eficiencia

FOTOBIORREACTORES DE BIOPELÍCULA

De godos y col. (2008) Appl. Microb. Biot.

Jugando con Balances de Materia y Energía

Es posible diseñar Estaciones de Tratamiento de Aguas Residuales energéticamente sostenibles?

ENERGÍA

Materia Prima Producto PLANTA DE

TRATAMIENTO

AGUA RESIDUAL AGUA

Sub-productos y Residuos

Biogás y Biosólidos

CASO PRÁCTICO: Granja de Cerdos, 10000 cabezas, 2.5 m3/cabeza/año, 30 g DQO/L

El potencial de los sistemas de microalgas y

bacterias en el tratamiento de aguas

Balances de Materia Balances de energía

T primario 30 % DQO

Eficacia proceso 90 % DQO

YX/S 0.45 g DQO/g DQOeliminada

D anaerobia 45 % DQO

Potencial 3.97 wh gDQO-1

Consumo 1.75 wh gDQO-1

P biogás 0.35 L CH4 gDQO-1

R. eléctrico 0.35

Déficit energético

1053 Mwh año-1

Coste: 1,900,000 Pesos año-1

(OPTI, 2010)


T primario 30 % DQO

YX/S 1 g DQO/g DQOeliminada

D anaerobia 35 % DQOalgas




R. eléctrico 0.35


bacterias en el tratamiento de aguas


-212 Mwh año-1

Beneficio 381.000 Pesos año-1


YX/S 0.1 g DQO/g DQOeliminada

D anaerobia 65 % DQOPURIN




R. eléctrico 0.35

Eliminación N 1.5 kwh kgN-1


bacterias en la depuración de aguas


-212 Mwh año-1

Beneficio 355,000 Euros año-1

CH4 50-75 % CO2 50-25% H2S 0 - 2 %

CH4

CO2

Mayores Costes de

Transporte

Liberación deCO2

Menor del contenido

específico de energía

Altamente Corrosivo

Tóxico

Malos Olores

H2S

Tratamiento de Biogás con Microalgas

• - Costes de operación ↑↑

• - Operación Peligrosa

• - Costes de operación ↑↑

• - Más I+D

•+ Costes de operación ↓

• + Producción de

biomasa reutilizable

• - More R&D needed


Compuestos-S

DIG

ES

TO

R A

NA

ER

OB

IO

Sulfuro

(1) EN LA FUENTE No es realista

Eliminación de S

en la Fuente

(2) FINAL DE TUBERIA Más Establecida Tratamientos Fisico-

Químicos Tratamientos biológicos

(3) A NIVEL DE PROCESO

Inhibidores selectivos de

sulfato reductoras

Aumentar el pH

Precipitatión de S

Microaerobio

CH4/CO2

H2S



CH

4 (

g)

CO

2 (

g)

H2S

(g)

Wastewater

Microalgae Biomass

H2S (L)CO2 (L)

O2-f

ree

CH

4 (

g)

SO42-

(L)O2 (L)

TreatedWater

HRAP 180L 50 cm (0.6 L) Columna de Absorción Externa Iluminación continua: 80 µE/m2/s Agitación por paletas: 10 rpm. Biogas (CO2 30 %, H2S 500 – 5000 ppmv) Flujo de biogás: 20 ml /min Recirculación del cultivo: 20 ml/min Alimentacion: 0-251 d MSM, 251-510 Efluentes anaerobios



Eliminación de H2S: 100 % Eliminación de CO2: 90 % con MSM, 40 % Efluentes anaerobios [O2] salida del biogás aumenta con la recirculación

Más información: www.iqtma.uva.es/envtech http://etuva.blogspot.com.es/

Raul Muñoz: [email protected]

http://www.iqtma.uva.es/envtech

Tratamiento de Aguas Residuales y Biogás con … · Oxidación en Agua Supercrítica Lagunas de...

Documents

Transcript of Tratamiento de Aguas Residuales y Biogás con … · Oxidación en Agua Supercrítica Lagunas de...