DIGESTIÓ ANAERÒBIA DE FANGS. ESTRATÈGIES IV JORNADES...

DIGESTIÓ ANAERÒBIA DE FANGS. ESTRATÈGIES PARA MILLORAR LA PRODUCCIÓ DE BIOGÀS I BALANÇ ENERGÈTIC

August BonmatíGracia Silvestre Belén Fernández Ivet FerrerXavier Flotats

IV JORNADES TÈCNIQUES DE GESTIÓ DE SISTEMES DE

SANEJAMENT D’AIGÜES RESIDUALS

ENERGIA I SANEJAMENT

Barcelona1 d’abril de 2009

ÍNDEX

1. Introducció2. Digestió anaeròbia fangs3. Estratègies per incrementar

producció biogàs4. Balanç energia EDAR

1.- Introducció

• Característiques tecnologies depuració:– Altes eficiències de depuració– Generadores d’un gran volum de fangs – Alt consum energètic

1. IN

TRO

DU

CC

IÓ

• Optimitzar les tecnologies actuals reduint el consum energètic i recuperant el màxim d’energia, mantenint eficiències

• Noves tecnologies que permetin recuperar el màxim d’energia i nutrients

Contingut energètic de les aigües residuals

• Energia continguda en la matèria orgànica de les aigües residuals (Shizas and Bagley, 2004; Logan, 2008) : 14,7 kJ/gDQO

1. IN

TRO

DU

CC

IÓ

Si considerem una EDAR: – Cabal: 25.000 m3/d – DQO: 500 mg DQO/L

Energia continguda a l’aigua residual ésaprox. 2,1 MW

Estratègies per recuperar l'anergia de les aigües residuals

Aigua residual Aigua

TractadaTractament

Aerobi

ELIMINACIÓ MAT. ORGÀNICA I NUTRIENTS

ESTABILITZAR MAT. ORGÀNICA (RECUPERACIÓ D’ENERGIA)

Tractament Fangs

Fangs Tractats1.

INTR

OD

UC

CIÓ

Tractament Aerobi

Aigua Tractada

Aigua residual


TractamentAnaerobi

EliminacióNutrients

Tecnologies Emergents:

- Bioelectricitat- Generació H2

RECUPERACIÓENERGIA (ELIM. MAT. ORGÀNICA)


RecuperacióNutrients

(Precipitació,Prod. Algues)

1. IN

TRO

DU

CC

IÓ

Tractament Aerobi

Tractament Fangs

Decantador1ari

Decantador2ari

Inorgànics (Sorres, ...)

Orgànics (Greixos..)

Fangs 2aris

CO2

Aigua Tractada

Aigua residual

Pre-tractament

O2

Fangs 1aris



ESTABILITZAR MAT. ORGÀNICA (RECUPERACIÓ ENERGÈTICA)

Fangs Tractats

Objectius línia de fangs

Millorar la gestió dels fangs generats• Reduir volum a gestionar

– Sistemes mecànics de deshidratació– Sistemes tèrmics d’assecat

• Estabilitzar la matèria orgànica– Processos biològics Compostatge / Digestió Anaeròbia

• Recuperar energia– Processos biològics Digestió Anaeròbia– Processos termoquímics

1. IN

TRO

DU

CC

IÓ

FANGS EDAR(1aris+2aris)

ESPESSIMENT

DIGESTIÓANAERÒBIA

DESHIDRATACIÓ

COMPOSTATGE

APLICACIÓAL SÒL

DESHIDRATACIÓ ABOCADOR

BIO-ASSECAT ASSECAT TÈRMIC

IND. CERÀMICA

INCINERACIÓ

GASIFICACIÓ

CendresIND. CIMENT

ABOCADOR

RECUPERACIÓCANTERES

Tractament Aerobi

DigestióAnaeròbia

Decantador1ari

Decantador2ari

EF1

EE1

EF2

EOx

EE2EAR

EBG

100%

66%

(34%)

14%

≈ 0%

38%

EAR Energia Aigua Residual

EF1 Energia Fangs Primaris

EE1 Energia Efluent Primaris

EF2 Energia Fangs Secundaris

EE2 Energia Efluent Secundari

EBG Energia Biogàs

EOx Energia dissipada Oxidació

EFT Energia fang tractat

Aireació

Shizas and Bagley, 2004

EFT

25%

Distribució energia fluxos EDAR1.

INTR

OD

UC

CIÓ

20%

2.- Digestió anaeròbia de fangs

• Redueix el volum de fangs:– Degradació matèria orgànica (SV)– Millora la deshidratació

• Estabilitza els fangs• Producció d’energia renovable a partir del biogàs

generat

2. D

IGES

TIÓ

AN

AER

ÒB

IA D

E FA

NG

S

≤ 0,35 m3 CH4/kg DQOeliminada ≈3,8 kW.h/kg DQOeliminada

Aptitud fangs per ser digerits anaeròbiament

– Fangs primaris: • Materia orgànica particulada• Potencial producció 470 mL/gSV

– Fangs secundaris: • Biomassa cel·lular• Potencial producció 140 mL/gSV

– Mescla de fangs primaris i secundaris• Potencial producció funció del % de mescla

≈ 300 mL/gSV

5-12 m3CH4/t fangs

2. D

IGES

TIÓ

AN

AER

ÒB

IA D

E FA

NG

S

3.- Estratègies per incrementar la producció de biogàs

3. E

STR

ATÈ

GIE

S PE

R IN

CR

EMEN

TAR

PR

OD

UC

CIÓ

BIO

GÀ

S

• Objectius complementaris:– Increment de l’eliminació de SV reducció fangs– Millorar la deshidratabilitat dels fangs– Higienització– Control escumes al reactor

• Estratègies de millora:I. Canvi del règim de temperaturaII. Configuració del/s reactorsIII. PretractamentsIV. Codigestió

I.- MODIFICACIÓ RÈGIM DE TEMPERATURA

• Avantatges– Més eliminació de SV i

producció de biogàs– Menors TRH (reactors

més petits)– Eliminació de patògens

• Desavantatges– Més energia per escalfar– Pitjor deshidratació– Sobrenedant amb alt

contingut amb AGV

Experiències en diferentsEDARs (Moscou,Vancouver, Praga…)

Útil si es vol incrementar elcabal de fangs sensenecessitat d’incrementar el volum del reactor

PsicrofílicosMesofílicos

Termofílicos

Tasa

de

crec

imie

nto

de m

etan

ogén

icos

(%)

20 40 80600

20

80

100

60

40

Temperatura (ºC)


Termofílicos

Tasa

de

crec

imie

nto

de m

etan

ogén

icos

(%)

20 40 80600

20

80

100

60

40

Temperatura (ºC)


Termofílicos

Tasa

de

crec

imie

nto

de m

etan

ogén

icos

(%)

20 40 80600

20

80

100

60

40

Temperatura (ºC)

Digestió Termofílica vs Mesofílica

II.- CONFIGURACIÓ REACTORS

• Dos o més etapes de reacció, combinat alhora diferents règims de Temperatura

• Experiències a escala industrial en diverses EDARs

3. E

STR

ATÈ

GIE

S PE

R IN

CR

EMEN

TAR

PR

OD

UC

CIÓ

BIO

GÀ

S

Contacte Anaerobi + Digestió Sòlids• Flotació fangs anaerobis i

recirculació al reactor SSV x 3,35

• “Re-digestió” dels fangs espessits

• Increments producció de biogàs en un 15%

• Reducció volum fangs a gestionar 30-50%

Des

gasi

ficad

or

Decantador

Biogás

Afluente

Efluente

Afluente Efluente

Biogás

Procés patentat - Anoxic Gas Flotation (AGF) Process -

• Doble Etapa Àcid-Gas (AGAD)

• Mantenir les condicions òptimes de cada una de les etapes

• Possible desacoblament entre les etapes i pèrdua d'eficiència

II.- CONFIGURACIÓ REACTORS

Afluente E

Biogás

e Efluente

Biogás

• Etapes diferent Tª (TPAD)

Afluente E

Biogás

e Efluente

Biogás

Àcid Metanogènic

• 2 (3) etapes combinant regim T

• Avantatges dels dos règims Tª– Higienització– Majors carregues

orgàniques– Efluents amb pocs AGV i

bona deshidratabilitat3. E

STR

ATÈ

GIE

S PE

R IN

CR

EMEN

TAR

PR

OD

UC

CIÓ

BIO

GÀ

S

III.- PRETRACTAMENTS

• S’ha realitzat molta recerca• Actualment un gran nombre d'experiències a

escala industrial diverses patents• Eficiència té una alta dependència amb les

condicions d’operació (temps, T, P,…) i les característiques dels fangs

• En general major eficiència en fangs secundaris (trencament paret cel·lular)

• Processos amb alt consum energètic cal analitzar amb detall el balanç energètic

3. E

STR

ATÈ

GIE

S PE

R IN

CR

EMEN

TAR

PR

OD

UC

CIÓ

BIO

GÀ

S

• Termohidròlisi • Combinació P, Tª i temps

• Dos processos amb patent: CambiTech / BioThelys

• Més de 8 plantes en funcionament


• NaOH + P, Tª i temps• Procés amb patent:

MicroSludge• 2 plantes construïdes

actualment aturades

• Físicoquímics


NaOH – 60 minIncrement P fins 80 barDecrement brusc P

• Alt consum energètica• 10 plantes construïdes

en funcionament• Ultrasons


IV. CODIGESTIÓ ANAERÒBIA

La codigestió anaeròbia consisteix en la digestió conjunta e residus orgànics diferents, amb l'objectiu de:

1.- Aprofitar la complementarietat de las composicions per permetre perfils de procés més eficients

2.- Compartir instal·lacions de tractament i reduir costos d’inversió i explotació

3.- Unificar metodologies de gestió

4.- Amortir les variacions temporals en composició i producció de cada residu por separat.

3. E

STR

ATÈ

GIE

S PE

R IN

CR

EMEN

TAR

PR

OD

UC

CIÓ

BIO

GÀ

S

AVANTATGES / DESAVANTATGES3.

EST

RA

TÈG

IES

PER

INC

REM

ENTA

R

PRO

DU

CC

IÓB

IOG

ÀS

Avantatges DesavantatgesGestió conjunta de residus (sinergies en la gestió)

- Necessària coordinació dels diferents sectors- Autoritzacions corresponents (Gestor Residus)- Modificació EDAR (tancs homogeneïtzació, pretractaments)- Modificació fluxos interns EDAR

Increment producció de biogàs

- Control més exhaustiu del procés (inhibicions, sobrecàrregues orgàniques)-Costs transport (potencial energètic co-substrats)

Característiques relatives per a la codigestió

• Complementarietat de residus de diferent tipologia

Macro i micronutrients

Relació C/N

Capacitat tampóContingut d’aguaMateria orgànica fàcilment biodegradable

Residus ramaders

Fangs d’EDAR

FORM Residus industria agroalimentària

Fuente: Flotats, X., Campos, E., Palatsi, J., Bonmatí, X. (2001). Digestión anaerobia de purines de cerdo y codigestión con residuos de la industria alimentaria. Porci; Monografías de actualidad, 65, pp 51-65.3.

EST

RA

TÈG

IES

PER

INC

REM

ENTA

R

PRO

DU

CC

IÓB

IOG

ÀS

Potencials de Metanització residus orgànics

Fangs:

306 lCH4/kgSV

FORM:

410 lCH4/kgSV

Glicerina:

408 lCH4/kgSV

Greix DAF:

572 lCH4/kgSV

fango3

fango2

fango1

fango4 FORM

Greix DAF

Glicerina

100

200

300

400

500

600

700

60% 80% 100%

SV sustrato (%)

Pm (l

CH

4/kg S

V)Potencial MetanitzaciPotencial Metanitzacióó 3535ººCC

Fangs

Fangs:

5-10 m3CH4/t

FORM:

78 m3CH4/t

Glicerina:

376 m3CH4/t

Greix DAF:

242 m3CH4/t

Projecte CENIT SOSTAQUA3. E

STR

ATÈ

GIE

S PE

R IN

CR

EMEN

TAR

PR

OD

UC

CIÓ

BIO

GÀ

S

MESÓFILO

0,00

0,100,20

0,300,40

0,500,60

0,700,80

0,901,00

1,101,20

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220

tiempo (días)

THR

(día

s)

biogas CH4 Ac. Acético

º

II IIII IVFangs EDAR Fangs + Greix

Codigestió Fangs EDAR / Residu de Greix DAF

m3/

m3

día

Projecte CENIT SOSTAQUA

III) 4% SV (Greix-DAF) 30% increment Biogàs

IV) 23% SV (Greix_DAF) 120% increment Biogàs

3. E

STR

ATÈ

GIE

S PE

R IN

CR

EMEN

TAR

PR

OD

UC

CIÓ

BIO

GÀ

S

0

250

500

750

1000

0 5 10 15 20 25Time (days)

Met

hane

pro

duct

ion

(L C

H4/

kg S

Vadd

ed)

0

500

1000

1500

2000

2500

VFA

con

cent

ratio

n (m

g/L)

CH4 Inolula WWTP CH4 Inocula lab-reactorVFA inocula lab-reactor VFA Inocula WWTP

Aclimatació bacteris

• Increment producció biogàs atribuïble:

- Increment velocitat càrrega orgànica

- Materia orgànica més biodegradable

- Sinergia i adaptació dels microorganismes a la nova mescla de residu

3. E

STR

ATÈ

GIE

S PE

R IN

CR

EMEN

TAR

PR

OD

UC

CIÓ

BIO

GÀ

S

Experiències en EDARs

• EDAR Viareggio i Treviso (Itàlia)

– Codigestió Fangs + FORM– Pretractament FORM: Multuració + Separació plàstics i

fèrrics– Diverses estratègies d’addició– Increments producció biogàs

• Treviso: 8-9 tFORM/80-90 t FANGS

Bolzonella et al. 2006

3. E

STR

ATÈ

GIE

S PE

R IN

CR

EMEN

TAR

PR

OD

UC

CIÓ

BIO

GÀ

S

3.500 m3/ mes17.500 m3/mes

4.- Balanç Energètic

• Factors principals determinen producció biogàs– Cabal i característiques aigua residual– Eficiència decantador 1ari / 2ari– Eficiència espessiment fangs– Característiques i operació del reactor anaerobi

• Factors principals determinen consum energia– Característiques aigua residual– Diagrama de flux de l’EDAR– Objectiu tractament: eliminació M.O, N, P– Tractament biològic

• Configuració• Operació

4.-B

alan

çEn

ergè

tic

Balanç Energètic Teòric

Gran efecte eficiència decantador 1ari Competència amb la eliminació de nutrients

4.-B

alan

çEn

ergè

tic

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

% SST elm decantació 1ª (%)

% E

ele

ctri

ca a

bast

ida

%

E té

rmic

a ab

astid

a

Baja carga (E elèctrica) Alta carga (E elèctrica) Convencional E elèctrica

Baja carga (E tèrmica) Alta carga (E térmica) Convencional (E tèrmica)

Digestors anaerobis EDARs a Catalunya• Digestors de mescla completa• Formigó, no aïllats• Ús del biogàs generat:

– Escalfar el reactor (caldera)– Cogeneració

2. D

IGES

TIÓ

AN

AER

ÒB

IA D

E FA

NG

S

• Total EDARs 340• EDARs amb Digestió Anaeròbia

(EDARs > 50.000 heq)31

• EDARs amb Cogeneració 12 • Potencia instal·lada aprox. (MW) 5• EDARs DA planificades

(EDARs > 15.000 heq)20

Afluente Efluente

Biogás

4.-Balanç Energètic

• Balanç energètic de 5 EDARs• Cabal: 20.000 -30.000 m3/d• Eficiències eliminació matèria orgànica: 93- 99%• Totes disposen de digestor anaerobi però no

motor de Cogeneració

4.-B

alan

çEn

ergè

tic

EDAR 1 EDAR 2 EDAR 3 EDAR 4 EDAR 5

Q aigua (m3/d) 27.325 29.650 22.200 21.130 27.950 MES entrada(mg/L) 359 332 352 349 338DBO entrada(mg/L) 299 411 416 550 498

Balanç Energètic - Casos Pràctics

Balanç Energètic: Casos Pràctics

• Energia elèctrica abastida: 40 - 80%• Energia tèrmica abastida: > 100%• Retorn inversió: 2 – 3 anys

4.-B

alan

çEn

ergè

tic


Producció Biogàs (L/m3

aigüa) 83 129 144 229 215E consumida (Kwh/m3) 0,44 0,43 0,51 0,91 1,28E elèctrica abastida (%) 39% 64% 56% 52% 80%E tèrmica abastida (%) 202 % 283 % 209 % 270 % 445 %Retorn Inversió(anys) 2 3 3 2 2

0

20

40

60

80

100

120

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Mesos

% E

elè

ctric

a ab

astid

a


0

100

200

300

400

500

600

700

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Mesos%

E tè

rmic

a ab

astid

a


Balanç Energètic: Casos Pràctics

Energia elèctrica abastida Energia tèrmica abastida

4.-B

alan

çEn

ergè

tic

Variació al llarg de l’any en funció característiques i el cabal de l’aigua residual

Interessant donar un ús a l’energia tèrmica sobrant

La digestió anaeròbia és una bona estratègia de tractament per estabilitzar els fangs i recuperar part de l’energia (40-80 % del consum d’una EDAR)

Grans oportunitats per optimitzar la producció de biogàs mitjançant pretractaments, configuracions reactors i codigestió

L’estudi del balanç energètic en una EDAR és una bona eina per prendre decisions relatives a l’optimització de la digestió anaeròbia

Aprofitament energètic dels fangs mitjançant digestióanaeròbia te encara un llarg recorregut: instal·lant motors de cogeneració, construint nous reactors anaerobis, i optimitzant la producció de biogàs

Conclusions

ràcies per

l’atenció

Página Web: www.giroct.net

DIGESTIÓ ANAERÒBIA DE FANGS. ESTRATÈGIES IV JORNADES...

Documents

Transcript of DIGESTIÓ ANAERÒBIA DE FANGS. ESTRATÈGIES IV JORNADES...