Procesos Emergentes de Depuracion para el Aprovechamiento...

Procesos Emergentes de Depuracion para el Aprovechamiento Energetico del Agua Residual

Frank Rogalla, Carlos Varela y Pilar Icaran

1 Abril 2009IV Jornades tècniquesEnergia i Sanejament Página 2

Uso de la energía en la gestión del agua: potable y residual

• Los remedios actuales para paliar la escasez de agua son energéticamente intensivos(y generan gases de efecto invernadero = riesgo de circulo vicioso) : – Desalación (Contabilizando el pre- y post-tratamiento y bombeo) > 3…4 kWh/m3

– Reutilización con reactores de membrana 1 kWh/m3 (sin RO)– Alternativa NeWater Singapore (Lodo Activado + MF + RO): 0.8 kWh/m3

• El sector del agua en los países desarrollados consume el 3 % de la energía:

• Energia media utilizada en UK para tratamiento del agua:0.7 kWh/m3 para agua potable (fundamentalmente en bombeo)0.8 kWh/m3 para agua residual (0.3 kWh/m3 en el tratamiento biológico)


Energia eléctrica potencial del agua residual:0.11 kg DQO/PE/d x 0.35 m3 CH4/kg DQO

x 2.3 kWh/m3 CH4 x 365 d = 32 kWh/PE/año

Thöle D. (2006). Assessment criteria “Manual Energy Audit”and Recommendation of Umweltbundesamt, Ruhrverband


Optimización de los sistemas convencionales• Sin tratamiento primario, pero con tratamiento biológico de alta carga

(SRT = 12 h) para absorber fácilmente los compuestos digeribles y aumentar la producción de biogás en la digestión anaeróbica.

• Maximizar el rendimiento de la digestion y de la cogeneración (38 %)

• Optimización de la fase posterior de aireación para eliminación de nitrógeno, mediante la medida en continuo de amonio.

• Reducción de los retornos de amoníaco y de la energía necesaria para su eliminación mediante procesos Annamox: – ahorro total de energía del 12 %

• Referencia: Wett B., Buchauer K. and Fimml C. (2007). Energy self-sufficiency as a feasible concept for wastewater treatment systems, Institute of Infrastructure and Environmental Engineering, University of Innsbruck, Austria.


Optimización de los sistemas convencionales• Ejemplo en la depuradora de Strass, Austria:

La planta ha pasado de ser autosuficiente en un 49 % en 1995a serlo en un 108 % en 2005

• Referencia: Wett B. (2006). Solved upscaling problems for implementing deammonification of rejection water, Water Science & Technology, Vol. 53, No. 12, pp 121-128.


Strass, Austria: Balance de energíahttp://www.aiz.at/files/Betriebsoptimierung_ARA_Strass.pdf


Pre-tratamiento Anaerobio: Tecnología Sostenible ?

• Aprovechar la energía latente del agua residual: > lo necesario para la oxidación

• Producir biogás en vez de consumir energía• Minimizar consumo de electricidad de aeración• Reducir la producción de fangos • Utilizar unidades de tratamiento compactas y

cerradas: UASB = Upflow Anaerobic Sludge Blanket


Influent

Tratamiento Convencional con Lodo Activado vsIntegracion del Pre-Tratamiento AnaerobioCourtesy of – Por gentileza de: PUB Singapore

Preliminary Treatment

Primary Sedimentation

Tank

EffluentActivated Sludge

Sludge Disposal

Dewatering

Thickener

Digester

Biogas

Anaerobic Process

Biogas

EffluentAerobic Polishing

DewateringSludge

Disposal

Waste sludgeDisintegration of Sewage Sludge


Experiencia a gran escala en Brasil

• Belo Horizonte, MG: 1,700,000 PE• 155 000 m3/d ( primera fase) •• 24 24 modulosmodulos de 2200 m3 de 2200 m3 cadacada• Tratamiento Secundario previsto: • – Lechos Bacterianos (Trickling Filters)

Courtesy of – por gentileza de: Copasahttp://www.copasa.com.br/cgi/cgilua.exe/sys/start.htm?sid=160


UASB : Referéncias a gran escalaV= 48,000 mV= 48,000 m33 Curitiba (Curitiba (AtubaAtuba SulSul): ): 24 24 modulosmodulos de 2000 m3 de 2000 m3 cadacada

• Campinas, SP• Q = 48 000 m3/d • UASB + Lodos Activados + Flotacion DAF

Courtesy of –por gentileza de:Sanasa

Courtesy of –por gentileza de: Sanepar


Country Volume Vup FIDHRT ECOD EBOD ETSS

m3 m/h #/m2h % % %

Colombia 64 0.67 -6 65 79 76India* 1200 0.75 1.936 74 75 75

Temp°C

±2520-30

Brazil 120 0.3-0.9 -5-15 60 70 70Colombia 6600 0.77 1.75.2 70 - -

18-30±25

Brazil 67.5 - 27 74 80 87India 3380 0.77 26 63 66 73

16-2318-26

India 11200 0.75 26 61 48 51Brazil 810 0.52 2.259.7 67 - 61

26-2930

Media 0.69 1.98 67 70 707.0

Wiegant 2001 WST 44:107; Seghezzo et al 1998 Biores. Tech. 65:175; Kalogo & Vestraete 1999. World J. Micr. Biotech. 15:523; Florencio et al. 2001. WST 44:71

Operacion en UASB con Aguas Residuales Municipales


Pretratamiento anaeróbico: Producción de Bio-Gas

• Agua residual DQO - 600 mg/l– Producción teórica: 0.35 m3 CH4/kg DQO eliminada– 70% DQO eliminada– Conversión de metano ~ 0.15 m3 / m3 agua residual

• Valor energético con motor de cogeneración:• Con 35 % de rendimiento en produccion electrica• 2.3 kWh el. / m3 de metano• Electricidad: 0.34 kWh/m3 agua residual

• Producción sólidos: 0.15 kg TSS / COD = 90 mg/l


• Decantación primaria con eliminación del 50% de sólidos– Producción: 150 mgTSS/l ~ 75% sólidos volátiles (VS)

• Fangos biológicos en exceso– 210 mg DBO/l x 0.7 mgTSS/mg DBO = 150 mg/l ~ 80% VS

• Digestor anaeróbico– Eliminación de volátiles ~ 50 %– Producción de biogás: 1 m3/kg VS eliminados con 65 % de metano– Producción específica de CH4: 0.075 m3/m3

– Electricidad 0.075 x 2.3 = 0.17 kWh/m3

• Sólidos residuales - 184 mg/l (de 300 mg TSS/l)

Tratamiento convencional:Comparación de la producción de biogás

agua residual 300 mg DBO/l (60 g DBO/ 200 l )


Reducción de la energía necesaria para aireación

• Energía requerida para oxidación: 1.5 kWh/kg

• DBO del Agua Bruta 300 mg DBO/l

• Demanda de Electricidad:

– Con Decantacion primaria (30 %):

• 210 mg BOD/l x 1.5 = 0.315 kWh/m3 agua

– Con Pre-Tratamiento Anaeróbico (60 %):

• 105 mg BOD/l x 1.5 = 0.16 kWh/ m3 agua


Ejemplo Balance Energético(300 mg BOD/l)

18490mg/lProducción de sólidos

- 0,15+ 0,18kWh/m3Balance energético

- 0,32- 0,16kWh/m3Energía de oxidación

+ 0,17+ 0,34kWh/m3Producción eléctrica

+ 0,07+ 0,15m3 CH4/m3 aguaProducción de biogás

ConvencionalAnaeróbicoUnidadParámetro


80203010025201283210

DQO eliminada equivalente(mg/l)

Solubilidad del metano*(mg/l)

Temperatura(oC)

Solubilidad del metano en el efluente

Nils Brown: Methane Dissolved in Wastewater Exiting UASB Reactors: Concentration Measurement and Methods for NeutralisationJune 2006, Department of Energy Technology, Royal Institute of Technology (KTH), Stockholm, Sweden


Diseño de la EDAR Ajman (UAE)

23 00015 300Kg/dBOD/TSS

74 00049 000m3/dCaudal medio

382 500255 000PEPoblación

20302015Unidad

Calidad requerida del efluente: 10 mg/l de DBO y SS

SubmergedAerated Filters

( SAF )

Courtesy of – Por gentileza de: Black & Veatch


EDAR Ajman: Dimensiones de los reactores

12.5 m X 3 m10DBF (Deep Bed Filters)

25 m x 4 m6 SAF (Submerged Aerated Filters)

23 m x 23 m8UASB

16.3 t TSS/d15.3 t DBO/dCarga contaminante

49,073 m3/dCaudalParámetro



EDAR de Ajman: reactores UASB

HRT = 9 hCarga de DBO =

0.8 kg DBO/m3 d



EDAR Ajman: Caudal de entrada y conductividad

- Incremento gradual del caudal

- Reducción gradual de la conductividad:

- buena correlación con TDS,

- pero no con cloruros.


y = 0.0014x + 4.3434R2 = 0.1816

6.0

6.2

6.4

6.6

6.8

7.0

7.2

7.4

1500 1600 1700 1800 1900 2000

Chloride (mg/L)

Cond

uctiv

ity (m

S/cm

)

y = 0.0017x + 0.7589R2 = 0.9303

6.0

6.2

6.4

6.6

6.8

7.0

7.2

7.4

3100 3200 3300 3400 3500 3600 3700 3800 3900

TDS (mg/L)

Cond

uctiv

ity (m

S/cm

)

Raw Sewage Feed

2.0

4.0

6.0

8.0

2/2/08 23/3/08 12/5/08 1/7/08 20/8/08 9/10/08 28/11/08

mS/

cm

0500010000150002000025000

m3/

d

Conductivity Flow


UASB Ajman: Calidad del efluente

• Planta en operación:– UASB: 3 de las 8 unidades– SAF: 5 de los 6 reactores con 4 soplantes– DBF: 8 de las 10 celdas con 12 h BW intervalo

Courtesy of – Por Gentileza de: Black & Veatch

UASB Effluent

0

100

200

300

400

500

2/2/08 23/3/08 12/5/08 1/7/08 20/8/08 9/10/08

mg/

L

COD TSS BOD


30 Day Acceptance Test - DBF Effluent

05

10152025303540

15/7/08 20/7/08 25/7/08 30/7/08 4/8/08 9/8/08 14/8/08

mg/

L

TSS BOD

DBF Effluent

0

20

40

60

80

100

15/7/08 20/7/08 25/7/08 30/7/08 4/8/08 9/8/08 14/8/08

mg/

L

COD

EDAR Ajman Test 2008: 30 díasEfluente final del 15 Julio - 15 Agosto

30/30Limit

10/10

Courtesy of -Por Gentileza de: Black & Veatch


EDAR Almeria El Bobar: Datos de Partida

255.512.619kg/dCarga DBO

500550420350mg/lDBO

250042019003940m3/hPunta

50 00010 00030 00054 000m3/dCaudal

PropuestaExtensionActualProyecto 96UnidadesParámetro


EDAR Almería: Opciones de Fases de Construcción


Balance de Conversion al UASB (30 000 m3/d)• Consumo actual de electricidad por mes (0.083 c/kWh)

– 600 000 kWh = 50 000 €

• Con UASB, bajaría el consumo de la energía de aeración a:– 30 000 x 0.42 x 0.4 x 1.5 = 7500 kWh/d x 30 = 226 800 kwh/mes

• Fangos en exceso:– actualmente 10 000 t / mes x 25 €/t = 25 000 €/mes ¿

• El UASB generaría mas biogás:– 30 000 x 0.42 x 0.6 x 2 x 0.3 = 4500 m3/d x 30 = 136 000 m3/mes – transformado en electricidad 136 000 x 2.3 kwh/m3 = 313 000 kWh/mes.– La energía verde según RD 661 / 2007 se venderia a 0.1307 €/kW

• El beneficio del proyecto seria de:– ahorro de energía: 600 – 250 = 350 MWh/ mes x 0.11 = 38 000 €/ mes – producción de electricidad 41 000 €/mes– 0.95 M €/año

• Inversión de 5 m x 20 m x 20 m x 8 x 300 €/m3 = 4.8 M € = retorno 5 años


EDAR Almeria - Futuro: Areas Fuera de Servicio


Conclusiones

• Experiencia mundial de pre-tratamiento anaeróbico a gran escala en climas y condiciones similares a España

• Rendimientos de depuración > 60 % con producción de biogas y menos fangos residuales

• Auto-suficiencia energética y reducción de emisiones CO2

• A verificar– Producción neta de biogás y valor de la electricidad– Coste de construcción y operación en España– Eliminación de nutrientes en post-tratamiento

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