Sistemas de eliminación de nitrógeno en digestión anaerobia

Marta Carballa, Chiara Pedizzi y Juan M. LemaGrupo de Ingeniería Ambiental y Bioprocesos

Departamento de Ingeniería QuímicaUniversidade de Santiago de Compostela

Indice

Nitrógeno en digestión anaerobia

Insuficiencia o exceso

Valores límite

Gestión de exceso de nitrógeno en digestión anaerobia

Inhibitorio

Post‐tratamiento

Conclusiones

Digestión anaerobia: carbono y nitrógeno

DQO: 100%

N: 100%

50‐60%

40‐50%

95%

CH4

NT

0,3% NO2‐ + NO3

‐ 99,7% NTK

64% NH4+35,7% NORG

NT0,3% NO2

‐ + NO3‐ 94,7% NTK

79,7% NH4+15% NORG

Fricke et al. (2007)

Insuficiencia de N en DA: C/N >30

Degradación anaerobia de proteínas  NH4+

Macronutriente fundamental para el crecimiento microbiano

Alcalinidad  capacidad tampón

Gerardi (2003)

Insuficiencia de N en DA: C/N > 30

Procházka et al. (2012)

Experimentos batch con glucosa a diferentes [N‐NH4+]

5 g/L

0,2 g/L

1,3 g/L

2,6 g/L

4,2 g/L

Exceso de N en DA: C/N < 20TAN: Total Ammonia Nitrogen (NH4

+ + NH3)

Cambio de pHInhibición de enzimas

Inhibición del microorganismo

Hansen et al. (1998)

 ‐

 0,5

 1,0

 1,5

 2,0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

NH3(g N‐NH3/L)

TAN (g N‐TAN/L)

Valores límite de TAN en DA: mesófilo

LodosEDAR Purines FORSU

 ‐

 0,5

 1,0

 1,5

 2,0

 2,5

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

NH3(g N‐NH3L‐1 )

TAN (g N‐TAN L‐1)

LodosEDAR

Purines FORSU

Valores límite de TAN en DA: termófilo

Gestión de exceso de N en sistemas de DA

C/N<20

Inhibitorio

Pretratamientos

Ajustes proceso

Tratamientos en línea

Post‐tratamientoRecuperación

Eliminación

Gestión de exceso de N en sistemas de DA

C/N < 20Inhibitorio

Pretratamientos

Dilución del sustrato Stripping

Pretratamientos: dilución del sustrato

Hejnfelt and Angelidaki (2009)

Residuos de matadero digeridos en batch con diferentes diluciones

5%

20%50%100%

5%20%

100%50%

• Consumo de agua• Mayor producción de digestato (tratamiento posterior)• Menor productividad de biogás

Pretratamientos: stripping del sustrato

Zhang et al. (2012)

Stripping (37ºC) de purín de cerdo a diferentes pH (1 Laire/L∙min) y con diferentes caudales de aire (pH = 9)

• Consumo energético (costes de operación)• Reajuste pH (consumo reactivos, inhibición por Na)• Necesidad de añadir un nuevo equipo

Gestión de exceso de N en sistemas de DA

C/N < 20Inhibitiorio

Ajustes del proceso

T y pH Co‐digestión(C/N)

Adaptación/ Inmovilización de la biomasa

Adición de micronutrientes

Ajustes en el proceso: relación C/N y pH

Shanumugam and Horan (2009)

Residuos de la industria del cuero co‐digeridos con la parte organica de los residuos solidos urbanos

C:N = 15

• Estabilización conjunta de varios residuos• Fácil de implementar (no equipamiento adicional)• Costes bajos

Ajustes en el proceso: inmovilización biomasa

Sasaki et al. (2011)

Comparación de reactores termófilos (TRH = 10 d, VCO = 5 g DQO/L∙d) con y sin biomasa inmovilizada en fibras de carbono

La inmovilización protege a los microorganismos frente a NH3

Ajustes en el proceso: micronutrientes

Digestión anaerobia mesófila de residuos de alimentos

Banks et al. (2012)

• Mejora la fijación de nutrientes por parte de los microorganismos• Permite la aplicación de VCO más elevadas con operación estable

Gestión de exceso de N en sistemas de DA

C/N<20

Inhibitorio

Tratamientos en línea

Stripping Membranas

Tratamientos en línea: strippingProyecto europeo ManureEcoMine

Pedizzi et al. (2016)

Qaire = 1 Laire L‐1dig min‐1

T = 65°Ct = 3 h

hstrip = 50 %

Qent = 0,7 L d‐1ALCent = 7 g CaCO3 L‐1NTKent= 2,4 g N‐NTK L‐1

QR = 1,5 L d‐1

QR = 1,5 L d‐1

Qsal = 0,7 L d‐1

Vdig = 14 LTdig = 55°C

Tratamientos en línea: membranas

Lauterböck et al. (2012)

Comparación de dos reactores mesófilos tratando residuos de matadero con y sin la presencia de una membrana de contacto

Propileno (0,2 m)T = 38°C

TRH = 20 ‐ 30 d    VCO = 1,5 ‐ 3 g DQO L‐1 d‐1

• Costes (membranas, productos químicos)• Formación de biofilm• Leakage de H2SO4 al digestor o de cationes al H2SO4

Gestión de exceso de N en sistemas de DA

C/N < 20

Post‐tratamiento

Estruvita Stripping Eliminación biológica

Sistemas físicos

Sistemas electroquímicos

Post‐tratamiento‐recuperación: estruvita

Tao et al. (2016)

El nitrogeno amoniacal puede precipitar como estruvita:

Post‐tratamiento‐recuperación: estruvita

Escudero et al. (2015)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Digestate(swineWW)

Digestate(swineWW)

Digestate(poultrymanure)

Leachate Digestate(WWTP)

Digestate(WWTP)

Am

mon

ium

rem

oval

eff

icie

ncy

(%)

Mg:NH4:PO4

4,3:100:1 10:100:1 1:1:1 1:1:1 1,2:1:1,2                 2:58:1

Post‐tratamiento‐recuperación: stripping

Nijhuis Water Technology B.V.

Nijhuis AmmoniumRecovery (NAR) system

Post‐trat.‐eliminación: nitrificación ‐ desnitrificación

• Consumo energético (aireación)• Necesidad de DQO biodegradable

Post‐trat.‐eliminación: nitritación ‐ desnitritación

Scaglione et al. (2013)

SBR que trata la fracción líquida del digestato 

procedente de un digestor anaerobio alimentado con una mezcla de purines

Post‐tratamiento‐eliminación: anammox

Nitrificación parcial Anammox Nitrificación parcial + Anammox

Post‐tratamiento‐eliminación: anammoxNombre  Compañía/País Proceso Biomasa Reactor Nº plantas

ANAMMOX® PaquesHolanda

1 etapa Granular SBR 18

DEMON® Cyclar Stulz‐ARA ConsultAustria

1 etapa BOA suspensiónAnammox granular

SBR 42

OLAND Ghent UniversityBélgica

1 etapa Biofilm Biodiscos 6

ANITAMox™ Veolia 1 etapa Biofilm+suspensión MBBR+IFAS 6

PN/AA EawagSwitzerland

1 etapa suspensión SBR 5

NAS® ColsenHolanda

Multi‐etapa Suspensión Lodos activos 5

DeAmmon® PuracAlemania

1 etapa Biofilm MBBR 3

Cleargreen® DegrémontFrancia

1 etapa SBR 2

PANDA+ Aquaconsult’sAlemania

2 etapasMulti‐etapa

Suspensión Lodos activos 2

TERRANA® E&PAlemania

1 etapa2 etapas

BiofilmSuspensión

SBRLodos activos

2

ELAN® FCC Aqualia‐USCEspaña

1 etapa Granular (municipal) SBR 2

PN/AA Abengoa Water‐USCEspaña

1 etapa Granular (purines) SBR 1

Val del Río (2015). Seminario Técnico REGATA

Post‐tratamiento‐eliminación: anammox

Digestato de lodos de EDAR• Alta temperatura (> 30ºC)• Altas concentraciones de amonio• Relación C/N < 5• Alcalinidad alta

Digestatos más complejos• Salinidad• Materia orgánica no biodegradable• Contenido en sólidos

Biomasa granular

AOB

NITRIFICACIÓN PARCIALO2 NH4

+

NO2‐ N2

ANAMMOX

Parámetro Nitrificación‐desnitrificación ELAN Ahorro con 

ELAN (%)

Consumo de O2 (kg O2/kg N) 3.18 1.83 42

Consumo de DQO (kg COD/kg N) 4.9 0 100

Emisiones de CO2(kg CO2/kg N) 3.52 3.26 7

Producción lodos (kg VSS/kg N) 2.11 0.12 94

Comparación estequiométrica (Vázquez‐Padín et al., 2014).

ELAN®: biomasa granular

Post‐tratamiento‐eliminación: microalgas

Alcantara et al. (2015)

• Sedimentación, recirculación e inmovilización:• Baja sedimentabilidad de la biomasa (bajo rendimiento de depuración)• Bajas velocidades de crecimiento de microalgas (volúmenes defotobioreactor)

• Baja tolerancia de microalgas a la contaminación• Emisiones de N2O

Post‐tratamiento‐eliminación: sistemas fisicos

Ledda et al. (2013)

Screw press Centrifuge UF ROZeolites

Stripping

NTK: 100%94%

5%

58%

26%

40%

15%

49%

1%

3%

33%

0,04%

Balances durante un ciclo (14 m3 digestato de purín de cerdo)

N‐Free® unit

Post‐tratamientos: sistemas electroquímicos

Virdis et al. (2008)

Post‐tratamientos: sistemas electroquímicos

Virdis et al. (2008)

Conclusiones

Es importante tener una relación C/N en digestión anaerobia adecuada

Co‐digestión

Minimizar la inhibición de nitrógeno en digestión anaerobia es fundamental para potenciar la producción de biogás

Stripping

Gestión de nitrógeno en el digestato:

Recuperación: estruvita, stripping

Eliminación biológica: nitrificación parcial + anammox/desnitritación

Agradecimientos

ManureEcoMine project is funded by the European Community’s Seventh Framework

Programme (FP7/2007-2013) under Grant Agreement n° 603744

Gracias por vuestra atención!

Smart Green Gas project financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad-CDTI (Programa Estratégico de Consorcios de Investigación Empresarial Nacional (IDI-

20141342))