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7as Jornadas Técnicas de Saneamiento y DepuraciónESAMUR

DIGESTION ANAEROBIA DE FANGOS:PASADO, PRESENTE Y FUTURO

Juan Antonio Cortacáns Torre

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Profesor Ad HonoremETS Ingenieros de Caminos, Canales y Puertos

Universidad Politécnica de Madrid

Murcia, 16 y 17 de Noviembre de 2011

INDICE

1. Introducción

2. Evolución de los sistemas de digestión2.1. Digestión de baja carga2.2. Digestión de alta carga2.3. Digestión mesofílica2.4. Digestión termofílica2.5. Digestión primaria y secundariag p y2.6. Digestión por etapas2.7. TPAD2.8. Digestión en dos fases

3. Configuraciones y sistemas de mezcla.3.1. Distintas configuraciones3.2. Consecuencias de la configuración en la mezcla3.3. Sistemas de agitación

4. Situación en España

5. Aspectos y problemas en debate5.1. Desinfección y sus normativas5.2. Pretratamientos5.3. Co-digestión5.4. Exceso de espumas (foaming)

6. Conclusiones

7. Referencias 2

2

Digestión anaerobia: Método más utilizado para estabilización de fangos en depuradoras

Objetivos:Estabilización de fangos (Reducción de volátiles)

1. INTRODUCCION

f g ( )Reducción masa de fangosProducción de biogás y energíaReducción concentración de patógenos

Otras consecuencias favorables posiblesUtilización de biosólidos en agriculturaCodigestión

Problemas:Producción de gases corrosivos y con riesgos de explosiónSistema más complejo (en su bioquímica y su ingeniería) que los tratamientos aerobiosConfiguración de los tanques (cerrados) complica su mantenimiento y control

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INDICE

1. Introducción

2. Evolución de los sistemas de digestión

3. Configuraciones y sistemas de mezcla.

4. Situación en España

5. Aspectos y problemas en debate

6. Conclusiones

7. Referencias

4

3

Hasta mediados siglo XX

Tanques cilíndricos - Techo y

2.1. DIGESTION DE BAJA CARGA

2. EVOLUCION DE LOS SISTEMAS DE DIGESTION

q yfondo con poca pendiente

Mala o nula mezcla

Calentamiento ausente o deficiente

Consecuencias:Consecuencias:

EstratificaciónAcumulación costraVolumen en disminución por sedimentación de arenas

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A partir de los 50-60

2.2. DIGESTION DE ALTA CARGA

Características:

CalentamientoMezclaAlimentación uniformeEspesamiento previo (4 6% SST)(4-6% SST)

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Es la más habitual en todo el mundo

2.3. DIGESTION MESOFILICA (∼ 35ºC)

Características de diseño más frecuentes:

Carga de volátiles: 1,5 - 2,5 kg SSV/m3.d

Tiempo de retención celular: 15 - 25 días

Buena mezcla:Buena mezcla:Homogeneización temperaturaEvita costras y sedimentaciones

Alimentación: 4-6% SST

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Comparado con mesofílicaMayor carga SSVMayor tiempo de retención celular (A igualdad de tamaño)Mayor reducción de SSV (A igualdad de tamaño)Mayor demanda energética (Puede ser insuficiente la producción de CH4)

2.4. DIGESTION TERMOFILICA (50-55ºC)

Ventajas:Mayor destrucción de SSVMayor producción de biogásMenor contenido de patógenosOperado en continuo no produce biosólidos clase A (EPA), pero sí operando en batch

Para biosólidos clase A: Operación en batch, con 5-6% SST en alimentación (No mayor)

A 50ºCº 120 horasA 55ºC 24 horas

Fórmula EPA (Ref. 1)8

T14,0R10

000.070.50T =

5

Se realiza (realizaba) con dos tanques en serie.La expresión digestión secundaria puede ser engañosa. No suele tener calentamiento ni mezcla

2.5. DIGESTION PRIMARIA Y SECUNDARIA

DIGESTOR PRIMARIO DIGESTOR SECUNDARIO

Funciones del digestor secundario:S mi ist l m d lm mi t

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Suministra volumen de almacenamientoSeparación de sólidos y líquido

Problemas:Puede haber problemas de separación por producción de gas si la digestión es incompletaRecargas importantes de sólidos a la línea de tratamiento

En desuso

Usadas por posibles ventajas metabólicas o de proceso

Renacida por beneficios de reducción de patógenos

2.6. DIGESTION POR ETAPAS

Digestión mesofílica en 2 etapasDos reactores de mezcla completa en serie. Ambos calentados.Se acerca al flujo pistónVentajas

Aumenta estabilidad. Mayor destrucción VSS.Reduce cortocircuitos de sólidos y patógenos

Digestion termofílica en 2 etapasComparación con mesofílica

Mayor producción de gas y reducción de VSSMayor destrucción de patógenos

Con varias etapas se han conseguido biosólidos clase A

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Combinación más frecuente: Digestión termofílica y mesofílica en serie para optimizar la digestión

No son de uso muy frecuente

Desarrollo: Alemania y Estados Unidos (años 80-90)

2.7. TPAD (Temperature-Phased Anaerobic Digestion)

Primeras referencias (Ref. 2)Colonia (Alemania) – 400.000 m3/d. Principios 90. Sólo fango activoWilhelmshaven (Alemania) – 75.000 m3/d. Año 97. Fango 1º + Fango activoIowa State University – Planta piloto. Año 95. Fango 1º + Fango activo

Ventajas fase temofílica:Mayor velocidad de hidrólisis y mayor actividad biológica del digestor termofílicoMayor destrucción de SSV y producción de gas que en un conjunto sólo mesofílico. (Incremento según referencias a igualdad de SRT ∼ 15%)Menor tendencia de espumas para digestión conjunta de fangos primarios y en exceso que la digestión mesofílicaMenor concentración de patógenos: Posibilidad de conseguir clase A

Fase mesofílica: Completa eliminación SSV y produce más biogásAcondiciona sólidos para deshidratación: Mejor deshidrataciónReduce concentración de compuestos con olor 11

CRITERIOS DE DISEÑO

No están claramente definidos por variedad de experiencias

Fase termofílicaTemperatura: 50-57ºCTi d t ió 4 10 díTiempo de retención: 4 a 10 días

Fase mesofílica:Temperatura: 35-40ºCTiempo de retención fase: 6 a 12 días

Mínimo global: 15 días en mes de carga máxima

Gran variabilidad en caso de aprovechar instalaciones existentes

Poca tolerancia a cambios de temperatura en fase termofílica. Se requiere buena mezcla

Atención a mayor producción de olores de la fase termofílica

En caso de transformar digestores existentes: Estudio estructural y de equipamiento del digestor que pase a termofílico

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EVOLUCION SISTEMAS TPAD

Se ha comparado el sistema TPAD frente a la digestión termofílica simple (TAD) (Ref. 3). Conclusiones:

Ambos sistemas funcionan de forma correcta y establePueden conseguir biosólidos clase A con formas de diseño y operación adecuadasAlgunos TPAD, sin embargo, no cumplenAmbos sistemas tienen más rendimiento que la digestión mesofílicaAlgunas TPAD gastan más polímero en deshidrataciónNo se ven ventajas claras en TPAD frente a TAD salvo en gasto energético cuando no requiere enfriamientoTAD supera a TPAD en deshidratabilidad y reactivación de p ypatógenos y da menos oloresTPAD es complicada en operación

Por ello, evolución hacia sistemas termofílicos por etapas: STAD en lugar de TPAD (Ref. 4)

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Separación de fase ácida y fase metánica

2.8. DIGESTION EN DOS FASES (AG)

Fase

Biogás

Forma práctica: En base a SRT (HRT)Bajo SRT en 1ª fase: Favorece fase ácida y bajo pH. pH ≤ 6 maximiza

Fase ácida

Fase metánica

Sólidosdigeridos

j y j p pacidificación y minimiza producción de gas.Mayor SRT en 2ª fase: Proliferan bacterias metanogénicas

Origen estos procesos: Años 70

Referencias importantes: A partir año 90

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Ambos reactores pueden ser termofílicos o mesofílicos, pero dominan los mesofílicos en las referencias sobre todo iniciales

Hay también secuencias con temperaturas termofílicas. Fundamentalmente secuencia Termo – Meso para conseguir clase A. Para ello requiere medidas operativas.

Siglas.AGMM – Dos mesofílicosAGMT – Meso + TermoAGTM – Termo + Meso

Ventajas de los sistemas de 2 fases frente a los de una faseMayor reducción de volátiles y producción de biogásBiogás con más metanoMayor inactivación de patógenosLa alta hidrólisis y las altas concentraciones de AGV en la fase ácida rompen componentes que producen espumasMás estableMenor volumen total

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Criterios de diseño

Fase ácidaCarga SSV: 25 a 40 kg SSV/m3.dC t ió d li t ió : 5 6% SSTConcentración de alimentación: 5-6% SSTTiempos de retención: 1 a 2 días (a temperatura mesofílica)Concentración AGV: 7000 a 12000 mg/lRango de pH: 5,5 a 6,2

Fase metánica:Carga similar a procesos convencionalesNo suele usarse un SRT menor de 15 díasNo suele usarse un SRT menor de 15 días

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SITUACION ACTUAL SISTEMAS AG (Ref. 5)

Van aumentando referencias principalmente en EEUU

Ventajas citadas en origenMayor destrucción de VSSMayor producción de gasy p gMenor volumen de digestiónMenor producción de espumasEstabilidadControl de patógenos (Clase A?)

Beneficios confirmadosControl de espumas e incremento de destrucción de VSS

Beneficios citados recientementeCodigestión (vertidos industrias alimentarias)Menor mantenimiento (Difícil de entender)

Cuestiones pendientesOlores, Deshidratabilidad y Reactivación de patógenos

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INDICE

1. Introducción

2 Evolución de los sistemas de digestión2. Evolución de los sistemas de digestión

3. Configuraciones y sistemas de mezcla.

4. Situación en España

5. Aspectos y problemas en debate

6 Conclusiones

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6. Conclusiones

7. Referencias

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3.1. DISTINTAS CONFIGURACIONES

3. CONFIGURACIONES Y SISTEMAS DE MEZCLA

• Problemas de sedimentos y costras superficiales

• Es normal vaciar y limpiar cada 2-5 años

• Buenas condiciones de mezcla, circulación y homogeneización

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• Condiciones óptimas de mezcla, circulación y homogeneización

• Más barato que b)

• Más favorable que a)

• El fondo plano restringe los posibles métodos de mezcla y circulación a elegir

3.2. CONSECUENCIAS DE LA CONFIGURACIÓN EN LA MEZCLA

• Sedimentaciones arenas y otros sólidos: Necesidad de limpieza

G fi i ibilid d d

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• Gran superficie y posibilidad de formación de grandes costras

• Pérdida de capacidad con el tiempo

• Zona bajo cubierta no aprovechable

• Mayores pérdidas de calor

• Configuración óptima

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3.3. SISTEMAS DE AGITACION

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BOMBEO EXTERNO

• Para volúmenes de digestión reducidos• Pueden construirse configuraciones más

sencillas (Menor relación H/D)• Eso da lugar a peores condiciones de mezcla

y aumento de sedimentaciones y costras• Sin partes móviles dentro del digestor

RECIRCULACION INTERNA

• Requiere una configuración específica• Partes móviles dentro del digestor - Fácil

sustitución• Optimo para mezcla con configuración

adecuada

E G MEZCLA INTERNA AGITADORES

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LANZAS DE GAS

• Difícil sustitución en caso de rotura• Permite construir digestores de fondo más

plano• Puede aumentar problema de espuma

MEZCLA INTERNA – AGITADORES SUMERGIDOS

• Partes móviles dentro del digestor – Difícil sustitución

• Sistema económico en construcción y gastos energéticos

Potencia instalada de agitación recomendada: 5 W/m3

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INDICE

1. Introducción

2 Evolución de los sistemas de digestión2. Evolución de los sistemas de digestión

3. Configuraciones y sistemas de mezcla.

4. Situación en España

5. Aspectos y problemas en debate

6 Conclusiones

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6. Conclusiones

7. Referencias

4. SITUACION EN ESPAÑA

DATOS DE PLANTAS

Habitantes equivalentes 75.000 – 2.275.000

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Caudales 10.000 – 420.000 m3/d

Concentración DBO5 200 – 700 mg/l

Decantación primaria Todas

Proceso biológico dominante:1982 – 19951995 – 2008

ConvencionalesCon eliminación de nutrientes

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DATOS DIGESTORES

Digestores primarios Volumen mínimo unitario: 2.000 m3

Volumen máximo unitario: 10.000 m3

Máximo volumen: 8 x 8700 m3

Digestor secundario

1982 – 1995 Digestor secundario (conectado a la línea de gas)Con sistemas de mezcla deficientes

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1995 – 2008

Con sistemas de mezcla deficientesCon o sin gasómeto incorporado

Post-espesadoresTampón con diversos sistemas de agitación

Configuración

DominanteMenos frecuente

Fondo plano o poca pendienteFondo cónico con mayor pendiente

DATOS DIGESTORES

Agitación Bombas externasHeatamix o similarScaba o similarLanzas de gasBomba mezcladora interna con tubo vertical central

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Temperatura Dominio absoluto del rango mesofílico

Problemas EspumasOloresPérdidas de biogásFallos en sistemas de calefacciónEscasa concentraciónDeficiencias en agitación

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PARAMETROS DE DISEÑO, FUNCIONAMIENTO Y CONTROL

Carga entrada: 2-3 kg SST/m3

1,5-2 kg SSV/m3

TRH: 20-30 días

Criterios de diseño uniformes

Concentración entrada: 2,5 – 4%

Sistemáticamente hay mal funcionamiento del espesamiento

Rendimientos: SSV entrada : 70-75%

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SSV salida : 50-60%Eliminación SSV : 40-53%

Parámetros control: pH : 7-7,4Relación AGV/Alcalinidad : 0,05-0,25

Normalmente valores correctos

PARAMETROS DE DISEÑO, FUNCIONAMIENTO Y CONTROL

Producción gas unitaria: 0,75-0,90 (1,05) Nm3/kg SSV eliminados

Consumo energético cubierto: 30 - > 50% (cogeneración?)

G di ió

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Gran dispersión

Composición gas: CH4: 64-67%CO2: 32-35%SH2: 50-200 ppm

Datos muy uniformes

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PERIFERIAS DIGESTION

Espesador gravedad Concentración de salida: No suelen pasar de 3,5%

Problemas:• Escasa capacidadEscasa capacidad• Problemas mecánicos y atascamientos• Mal diseño, mal estado instalación o mala operación• Espesamiento conjunto fango primario y secundario• Fermentación en espesador

Flotador Suelen conseguir concentraciones > 4%

Otros sistemas Centrifugación, mesas espesadoras, tambores rotativos• Funcionan bien• Alto gasto energético en centrífugas

Alt li l t lit i t á i

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• Alto consumo polielectrolito en sistemas mecánicos

Deshidratación • Dominio centrífugas• Filtros banda en plantas antiguas• Filtros prensa en casos especiales

Reactivos • FeCl3: Más frecuente• Cal: menos frecuente

INDICE

1. Introducción

2 Evolución de los sistemas de digestión2. Evolución de los sistemas de digestión

3. Configuraciones y sistemas de mezcla.

4. Situación en España

5. Aspectos y problemas en debate

6 Conclusiones

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6. Conclusiones

7. Referencias

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5.1. DESINFECCION Y SU NORMATIVA

5.1.1. NORMAS

ESPAÑOLA

5. ASPECTOS Y PROBLEMAS EN DEBATE

ESPAÑOLAReal Decreto 1310/1990 de 29 de Octubre por el que se regula lautilización de los lodos de depuración en el sector agrario(Transposición de 86/278/CEE)

EUROPEAWorking document on sludge. Tercer borrador. Bruselas 27, Abril2000.Propuesta de Directiva de fecha 30 de abril 2003: “Proposal for aDirective of the european parliament and of the Council onspreading of sludge on land”Ha sido retirada.

EEUUEPA regulation 40 CFR 503 de 1993 31

5.1.2. EPA REGULATION 40 CFR 503 – 1993 (Contenido simplificado)

DEFINICIONES

BIOSOLIDOS CLASE A

Se requiere la calidad A para aplicación del fango en parquespúblicos y en cultivos dedicados a la alimentación. Esto incluye áreasresidenciales, parques, campos de golf, centros deportivos,jardinería, etc..

BIOSOLIDOS CLASE B

Por aplicación en pastos (con restricciones), uso agrícola enbarbecho, cultivos industriales o sin vegetación de pie (conrestricciones)

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ALTERNATIVAS PARA EL TRATAMIENTO DE PATOGENOS

(BIOSOLIDOS CLASE A)( )

Objetivos implícitos del tratamiento.

Deben cumplir con una de las siguientes limitaciones bacterianas:Coliformes fecales < 1000 NMP/g biosólidos (materia seca)Salmonella sp. < 3 NMP/4 g biosólidos (materia seca)

Además utilizar uno de los procesos de reducción avanzada de patógenos y vectores (PFRP) del listado adjunto.

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PROCESOS AVANZADOS DE REDUCCION DE PATOGENOS Y VECTORES (PFRP)

(BIOSOLIDOS CLASE A)

P E É E B N E B COMPOSTAJE, TÉRMICOS AEROBIOS O ANAEROBIOS, RAYOS BETA, PASTEURIZACIÓN

Compostaje, en pilas estáticas aireadas o dentro de un reactor a 55ºC, 3 días.Secado térmico para reducir la humedad < 10% y temperatura 80ºCTratamiento térmico del fango líquido a ≥ 180ºC durante 30 min.Digestión aerobia termofílica al menos 10 días a 55-60ºCgIrradiación con rayos Beta en dosis > 1,0 megarad a 20ºCIrradiación con rayos Gamma en dosis > 1,0 megarad a 20ºCPasteurización a > 70ºC durante 30 minutos.Se pueden usar otros procesos que cumplan con lo siguiente:

Virus < 1 UFP/4 g biosólidos (materia seca)Huevos viables de helmintos < 1/4 g biosólidos (materia seca)

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ALTERNATIVAS PARA EL TRATAMIENTO DE PATOGENOS

(BIOSOLIDOS CLASE B)

Deben cumplir:

Cumplir con la siguiente limitación bacteriana:

Coliformes fecales (Media geométrica) -< 2.000.000 NMP/g sólidos totales (peso seco)

(Toma de 7 muestras aleatorias de fango al día)(Toma de 7 muestras aleatorias de fango al día)

Además utilizar uno de los procesos de reducción significativa de patógenos (PSRP) del listado adjunto

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PROCESOS AVANZADOS DE REDUCCIONSIGNIFICATIVA DE PATOGENOS Y VECTORES (PSRP)

(BIOSOLIDOS CLASE B)

DIGESTION AEROBIA O ANAEROBIA, SECADO AL AIRE, COMPOSTAJE, ESTABILIZACION CON CAL

Digestión aerobia entre 40 días a 20ºC y 60 días a 15ºCDigestión anaerobia entre 15 días a 35-55ºC y 60 días a 20ºCSecado al aire: mínimo 3 meses. (Dos de los meses con temp. media diaria > 0ºC)Compostaje a > 40ºC, 5 días. (temp. > 55ºC durante 4 horas de los 5 días)E t bili ió l H 12 d t 2 h (30 i t i l f Estabilización con cal a pH > 12 durante 2 horas (30 minutos si el fango es de origen doméstico)Otros procesos que cumplan las calidades exigidas

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5.1.3. DESINFECCION. OTROS CRITERIOS.Informe del grupo de trabajo AK-2.2. de la DWA (2010).

Contempla diversos microorganismosindicadores

Procesos contemplados

Desinfección térmica

Combinación de tiempos ytemperaturas para lograr unainactivación de patógenos (Feachem)

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Comparación de criterios: Feachem, EPA, ATV: Grupo de trabajo 3.2.2..Fuente: KA, nº8, 2010

PROCESOS

Prepasteurización (Térmica – Anaerobia)

El tiempo de retención depende de la temperatura (Tabla anterior)En general se realiza con instalaciones dotadas de 3 depósitos parafunci n r n b tchfuncionar en batchHay instalaciones con flujo continuo y suficiente tiempo deretención medio

Prepasteurización aerobia termofílica

Como la prepasteurización térmica suele realizarse con 3 etapas,

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p p ppero en este caso tienen aeración y con de mayor tamañoTiempo medio de retención: Al menos 1 díaTemperatura de operación que se alcanza: 60-65ºC

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Estabilización aerobia termofílica (ATS)

Realiza desinfección y estabilizaciónBiodegradación aerobia exotérmica causa un autocalentamiento delfangoLas instalaciones deben tener al menos 2 etapasEl tiempo medio de retención debe ser al menos de 6 díasEl reactor donde se realiza la desinfección se carga en batch

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Digestión termofílica

Para cumplir función de desinfección Tiempo mínimo de estanciaen el digestorSe extraen fangos después de una mínima estancia antes de añadir

l dnuevas cargas precalentadasTiempos de carga con digestión a 50-60ºC: 3,5 – 23 hSi se quiere funcionamiento más continuo: 57ºC y 6 h de tiempo decarga y extracciónPara precalentamiento y enfriamiento de fango desinfectado:Necesidad de 2 reactores complementarios en “batch”La carga no continua del digestor requiere la posibilidad de bajarel nivel de fangos: Necesidad de un medidos de seguridad

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Secado térmicoSe recomienda con fango estabilizadoCondiciones de la desinfección térmica: > 70ºC ,30 minutos, consólidos > 80% en peso

Compostaje termofílico

Desinfección con cal

Otros procesosIncineraciónGasificaciónPirólisisHidrólisis a presión con altas temperaturas

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Hidrólisis a presión con altas temperaturasRadiaciones ionizantesTratamiento con cloro (se usa en USA). No debe realizarse

Cualquier proceso nuevo debe demostrar su efectividad antes deser aceptado

OBJETIVO

Hacer el sustrato de los SS más accesible a las bacterias anaeróbicas, optimizando el potencial metanogénico

5.2. PRETRATAMIENTOS

Como consecuencia: Menor producción de fangos

ENFOQUE:

Diferencia entre fangos primarios y fangos en exceso: Menor producción de gas de fangos activos (frente a fangos primarios)Causas: Baja biodegradabilidad de las membranas celulares y de los Causas: Baja biodegradabilidad de las membranas celulares y de los polímeros extracelulares de los fangos activosObjetivo: Aumento de la biodegradabilidad de sustrato particulado

Mejor accesibilidad de los sustratos por acción enzimática

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PUNTOS DE APLICACION

Puntos más adecuados desde el punto de vista de la digestión anaerobia:T4 – Para aumentar la producción de gasT5 – Aumenta producción gas. Si es pretratamiento térmico puede producir además higienización.T6 - Con poca recirculación para no inactivar la biomasa anaerobia. 43

Métodos mecánicos. Producen la desintegración de las partículas sólidas.

METODOS (Año 2000)

Desintegración por ultrasonidos

Métodos químicos: Destrucción de compuestos orgánicos complejos por medio de ácidos o bases fuertes

Pretratamiento térmico: Hidrólisis térmica

Pretratamiento enzimático y microbianoPretratamiento enzimático y microbiano

Estimulación de microorganismos anaerobios: Adición de algunos compuestos que actúan como estimulantes del crecimiento bacteriano

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METODOS (Año 2010)

Pretratamientos biológicos

Objetivo: Aumento de la hidrólisis en una etapa anterior al proceso de digestión principal

Puede ser a temperatura termofílica (55ºC) o hipertermofílica (60-70ºC) y en condiciones aeróbicas o anaeróbicas

Tiempos de retención: 1-2 días

Es la idea usada en el desarrollo de los digestores TPAD (Temperature Phased Anaerobic Digestion) con primera etapa termofílicahased naero c D gest on) con pr mera etapa termof ca

Incrementos medios o importantes de producción de gas: 20-30% y hasta 50%

Con temperatura alta (70ºC) y un adecuado manejo: Higienización.

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Hidrólisis térmica (> 100ºC)

Produce solubilización parcial del fango Mejora el rendimiento de la digestión

Se emplea fundamentalmente con fango biológicoSe emplea fundamentalmente con fango biológico

Temperatura óptima: 160 – 180ºC

Presión necesaria: 0,6 a 2 MPa (1 MPa = 10 bar)

Tiempo de tratamiento: 30 – 60 mm

Relación lineal entre solubilización de DQO e incremento de producción de metano (40-50%)

Produce higienización del fango

Menor viscosidad y mejor deshidratabilidad del fango46

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Mayor requerimiento de energía Se cubre con mayor producción de gas

Inconvenientes:Mayor producción de sólidos finos y color en el efluente final (fracción soluble inerte de DQO)Incremento de amonio en digestor principal ¿inhibición?

R f i d d 1995 (Ej C bi) d i i di ió Referencias desde 1995 (Ej. Cambi), preceden casi siempre a digestión mesofílica

Gases (a digestor)Recirculación de vaporAlimentación

de fango deshidratado

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PULPER REACTOR FLASH TANK Fango

hidrolizado y despresurizado a digestión

Fango hidrolizado

Fango homogeneizado e higienizado

Vapor 10 bar

Tratamientos mecánicos

Ultrasonidos

Rompen la estructura del flóculo y de las propias células en el fango activoMecanismos de actuaciónM can m actuac n

Cavitación favorecida por las bajas frecuenciasReacciones químicas por la formación de radicales libres (H y OH ) a altas frecuencias

En tratamiento de fangos las bajas frecuencias son las más eficientes (20 – 40 Hz)Aplicando el tratamiento antes de digestión anaerobia mesofílica: Incremento de producción de biogás 10 – 45%La sonicación puede mitigar los problemas de bulking en el proceso o de

l diespumas en el digestor

OtrosLisis por centrifugaciónTratamientos mecánicos a alta presión para roturas de flóculos u célulasMolinos de bolas

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Tratamientos químicos

Oxidación

Ozono o peróxido de hidrógenoProducen solubilización del fango

Tratamientos alcalinos

Efectivo en solubilización del fangoEf N OH KOH M (OH) C (OH)Eficacia: NaOH > KOH > Mg(OH)2 y Ca(OH)2

Pueden producirse inhibiciones en digestión posterior

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ASPECTOS A CONSIDERAR EN LA COMPARACIÓN DE MÉTODOS DE PRETRATAMIENTO

Fango a tratar: Primario (menos frecuente), fangos en exceso o fangos mixtos.

Objetivo del pretratamiento:Aumento de la volatilización y producción de más biogásy pDisminución de la producción de fangosMejora de la manipulación del fango (deshidratabilidad)Reducción del volumen del digestor por aumento de la carga orgánica admisible

Costos de tratamiento (Instalación y aspectos energéticos)Los tratamientos biológicos a temperatura termofílica son similares en rendimiento y consumo de energía a una simple etapa termofílicaLos pretratamientos de hidrólisis térmica requieren más energía térmica, pero por su mejor rendimiento producen energía suficiente. Son los más costosos de instalación.Pretratamientos mecánicos: Hay que realizar un estudio del consumo eléctrico del proceso y de la energía generada en función de la producción de gas en cada caso basado en ensayos previos específicos. No utilizar datos de otros casos.

50

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Consumo de reactivos: Particularmente para los tratamientos de oxidación o químicos

b ó d Liberación de nutrientes

Contenido de N y P en los fangos activos: N = 10-12% VSS y P = 3-6% VSSTodos los pretratamientos aumentan los nutrientes en los líquidos de retornoEn caso de tratamientos agresivos (hidrólisis térmica): Posible inhibición de la digestión por exceso de amonio. Generación de DQO soluble no biodegradablebiodegradable

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Fundamento: Mezcla de los fangos de depuradoras con otros residuos orgánicos para digestión conjunta.

Referencias con otros tipos de materia orgánica como producto principal y diversos productos añadidos para la codigestión.

5.3. CODIGESTION

Numerosos estudios en planta de laboratorio y en planta piloto. Referencias a escala real con los siguientes productos.

INSTALACIÓN EN LAQUE SE APLICA PRODUCTOS QUE SE CODIGIEREN

Digestores en depuradoras de aguas residuales urbanas

- Residuos de mataderos- Restos de alimentos y de cocina de hospitales y

supermercados y otros orígenes- FOG (Grasas y aceites) de restaurantes

Residuos de industrias alimentarias

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- Residuos de industrias alimentariasCodigestión de fangos + fracción orgánica de RSU

- Residuos de cocinas de diverso origen- Residuos ganaderos- Residuos de industrias lecheras- Grasas y aceites

Tratamiento anaeróbico de residuos ganaderos: vacunos, purines o mezcla de ambos

- Residuos ganaderos diversos- Purines- Residuos de industria alimentaria- Residuos vegetales

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VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LA CODIGESTION PARA USO EN DIGESTORES DE PLANTAS DE AGUA RESIDUAL URBANA

VENTAJAS INCONVENIENTES

Para operadores de aguas residuales:• Incremento de producción de biogás• Reducción de demanda de energía externa

• Pretratamiento de la nueva aportación de materia orgánica. A veces se requiere una instalación casi tan

• Posibilidad de ingresos por residuos aceptados

• Si instalación existente está sobre dimensionada, no hay que ampliarla

Para industriales:• Solución de problema de disposición de

residuos orgánicos

Beneficios ambientales:

compleja como la propia depuradora.

• Perturbación de la digestión de la planta existente por puntas de carga y tóxicos de las nuevas aportaciones.

• Grandes problemas desconocidos o sin acotar adecuadamente por el aumentode diversos tipos de contaminantes en los retornos a la línea de agua.

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• Aprovechamiento del biogás generado• No emisión de metano en vertederos de

residuos• Necesidad de un marco administrativo,

legal y de competenecias complejo que no existe.

• No hay que suponer que en las depuradoras de aguas residuales existentes sobra volumen en general.

En el pasado solía estar bastante relacionado con el arranque de los digestores. Parece más frecuente actualmente.

CAUSAS MÁS CITADAS DE LA PRODUCCIÓN DE ESPUMAS

SEGÚN SU ORIGEN O PROCEDENCIA

5.4. EXCESO DE ESPUMAS (FOAMING)

Tratamiento primarioGrasasAceitesTóxicosAgentes tensioactivosTratamiento secundarioBacterias filamentosas: Nocardia, Microthrix (aumentan con ciertas configuraciones de procesos de eliminación de nutrientes)EspesadoAdi ió i d lí

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Adición excesiva de polímerosDigestión anaerobiaTiempo de retención escasoCarga excesivaOperación intermitenteMezclado mecánico inadecuadoSistemas de mezclado con biogásPresencia de tensioactivos

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POSIBLES RAZONES DE FORMACION DE UN EXCESO DE ESPUMAS DURANTE EL PROCESO DE DIGESTION

Perturbaciones en la digestión a causa de desequilibrios metabólicos. Consecuencia: Excesiva producción de tensioactivos biológicos debido a la lisis Consecuencia: Excesiva producción de tensioactivos biológicos debido a la lisis celular.Causante: Fangos en exceso

Combinación de lo anterior con excesiva concentración de AGV y presencia de biogás.

Problemas en la metabolización de las proteínas

Producción excesiva de polímeros extracelulares que incrementan la

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Producción excesiva de polímeros extracelulares que incrementan la viscosidad y estabilizan las espumas

La presencia de grasas, aceites y polímeros extracelulares, contribuyen a estabilizar la espuma

FLUJO DE LIQUIDO Y GASES AUMENTA EL PROBLEMA

Producción de gas por día: 80-100% del volumen del digestor

Además: Picos de producción de biogás siguen con poco desfase a picos dep g g p palimentación

En contraste, alimentación diaria de fangos: 5% del volumen del digestor

Sistemas de mezcla con gas no crean el problema, pero lo aumentan

Consecuencia:

La superficie de separación fase líquida fase gas es muy

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La superficie de separación fase líquida – fase gas es muy turbulenta, independientemente del sistema de mezcla.Formación de espumas y lenta evacuación del gas, produce altas presiones en cubierta.

Cubiertas fijas: DañosCubiertas flotantes: Daños, fugas

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CONSECUENCIAS DE LA PRODUCCION DE ESPUMAS

Proceso

Pérdida de capacidad del sistema d l d d Atascamiento de las conducciones de gas

Interferencia con los sistemas de controlProblemas con cubiertas fijas y sobre todo con móviles

Económicos

Menor producción de energía

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Menor producción de energíaMayor producción de fangos finalesMayor consumo de gas o gasoilMayor consumo de polímeros en deshidrataciónMayores gastos de operación y mantenimientoPosibles gastos de antiespumantes o de potencia en agitadores mecánicos

MEDIDAS PARA MITIGAR O COMBATIR LAS ESPUMAS

Operación

Estabilizar carga orgánica diaria de modo que haya pocas variaciones

Alimentación frecuente

Consecuencia:Menores perturbaciones metabólicasDisminución picos de producción de gas

Minimizar la posible septicidad de fangos primarios o espesadores

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Minimizar la posible septicidad de fangos primarios o espesadoresde gravedad

Posibilidad de tratar fangos en exceso de forma separada

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Modificaciones de los equipos

Automatizar la alimentación a digestores para rotarla con alta frecuencia y homogeneizar las cargas

Mejorar los alivios de altas presiones en cubiertas.

Controlar niveles en los digestores

Instalar sistemas de rotura de espumas:Toberas con agua a presiónM l d á i fi i (Ad á d l l d

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Mezclado mecánico en superficie (Además del mezclado global del digestor)

Modificaciones del proceso

Digestión en dos fases: ácida – metánicaMejor hidrólisis de filamentos en fase ácida combinada con menor producción de gas

Digestión en etapas con termofílica en primera etapa.Estudios de higienización han demostrado como consecuencia secundaria una mejora en espumas aunque menos que con la fase ácida

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Incorporar sistemas de lísis de células (fangos en exceso):Hidrólisis térmicaUltrasonidosOzonización, etc.

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INDICE

1. Introducción

2 Evolución de los sistemas de digestión2. Evolución de los sistemas de digestión

3. Configuraciones y sistemas de mezcla.

4. Situación en España

5. Aspectos y problemas en debate

6 Conclusiones

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6. Conclusiones

7. Referencias

1. Digestión anaerobia : Método más utilizado para la estabilización de fangos en depuradoras

2. Evolución:Di stió b j

6. CONCLUSIONES

Digestión baja cargaDigestión alta carga: Mesofílica y TermofílicaDigestión 1ª y 2ªDigestión por etapasTPAD STADDigestión en 2 fases

Sistemas que prevalecen:Sistemas que prevalecenDigestión alta carga dominando la temperatura mesofílicaEmpleo de la termofílica fundamentalmente por eliminación de patógenosLos sistemas TPAD ceden a favor de los STAD – Pocas referencias a escala realLa digestión en dos fases se abre paso lentamente – Pocas referencias a escala real 63

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3. Configuraciones. Evolución a configuraciones y sistemas de agitación para conseguir:

Buena mezclaPocas sedimentacionesFacilidad de mantenimientoMenos frecuencia de limpiezap

4. Situación en EspañaDomina: Digestión mesofílica en una etapa. Se ha ido abandonando el digestor “secundario”Configuración: Fondos con poca pendienteAgitación: No hay forma dominante. A veces alguna deficienciaCriterios de diseño: Muy similaresPre espesamiento: Múltiples deficienciasPre-espesamiento: Múltiples deficienciasGeneración energía: Gran dispersiónDeshidratación: Dominan centrífugasReactivos: Uso frecuente FeCl3 y menos frecuente cal

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5. Aspectos y problemas en debate

Desinfección

• Norma española: Anticuada• Norma europea: No se aprueba nunca• Norma americana: negativa para digestión anaerobia• Grupo AS.K. – 2.2. de la DWA: Positiva para digestión termofílica

Pretratamientos

• Biológicos: Usado fundamentalmente con una primera etapa termofílica

• Hidrólisis térmica: Buenos resultadosComplejo y costosop j y

• Mecánicos: No están madurosMás utilizado: Ultrasonidos

• Químicos: emergentes

Considerar siempre efectos secundarios 65

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Codigestión:

• Requiere estudios detallados en casa caso• Posible perturbación digestión existente• Falta de marco administrativo y legal

Esquemas

• Un buen diseño y operación pueden reducir el problema• Requiere mucha atención en la planta

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(1) – US EPA (1999) – Standards for the Use or Disposal of Sewage Sludge(2) - WET, Nov. 2000 (3) - TPAD versus other thermophilic anaerobic digestion processes: A re-

7. REFERENCIAS

( ) p g pevaluation. Presentado en WEFTEC 2008

(4) - Overview of best anaerobic digestion technologies when sustainabilityis important. WEF, Residuals and Biosolids 2009

(5) – Update on 2-Phase AG Systems. WEF, Residuals and Biosolids 2009

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