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
Estratègies per recuperar l'anergia de les aigües residuals
TractamentAnaerobi
EliminacióNutrients
Tecnologies Emergents:
- Bioelectricitat- Generació H2
RECUPERACIÓENERGIA (ELIM. MAT. ORGÀNICA)
ELIMINACIÓ MAT. ORGÀNICA I NUTRIENTS
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
Estratègies per recuperar l'anergia de les aigües residuals
ELIMINACIÓ MAT. ORGÀNICA I NUTRIENTS
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)
PsicrofílicosMesofílicos
Termofílicos
Tasa
de
crec
imie
nto
de m
etan
ogén
icos
(%)
20 40 80600
20
80
100
60
40
Temperatura (ºC)
PsicrofílicosMesofílicos
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
III.- PRETRACTAMENTS
• NaOH + P, Tª i temps• Procés amb patent:
MicroSludge• 2 plantes construïdes
actualment aturades
• Físicoquímics
III.- PRETRACTAMENTS
NaOH – 60 minIncrement P fins 80 barDecrement brusc P
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
EDAR 1 EDAR 2 EDAR 3 EDAR 4 EDAR 5
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
EDAR 1 EDAR 2 EDAR 3 EDAR 4 EDAR 5
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
EDAR 1 EDAR 2 EDAR 3 EDAR 4 EDAR 5
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