Biogas Vinazas

Tratamiento de Vinazas por Digestión Anaerobia

Rolando Chamy, Germán Aroca A.Escuela de Ingeniería BioquímicaP. Universidad Católica de Valparaíso

• Digestión Anaerobia• Reactor UASB• Caso: Diseño e implementación de un

biodigestor para el tratamiento de vinazas en la industria del pisco en Chile

• Desulfurización de Biogas

Proceso biológico que se basa en la transformación a través de una serie de reacciones bioquímicas, de

la materia contaminante en un gas cuyos componentes principales son metano y dióxido de

carbono.

Proceso biolProceso biolóógicogico que se basa en la transformacique se basa en la transformacióón n a trava travéés de una serie de reacciones bioqus de una serie de reacciones bioquíímicas, de micas, de

la materia contaminante en un gas cuyos la materia contaminante en un gas cuyos componentes principales son metano y dicomponentes principales son metano y dióóxido de xido de

carbono.carbono.

Digestión AnaerobiaDigestiDigestióón Anaerobian Anaerobia

Tratamiento anaerobioTratamiento anaerobioTratamiento anaerobio

MENOR velocidad de degradación de la materia orgánica

MAYOR TRS

MENOR producción de lodos

recuperación MAS LENTA frente a una sobrecarga

MEJOR adaptación a tóxicos

ESTABILIDAD y facilidad de rearranque

BAJA necesidad de nutrientes

pequeña o NULA producción de olores

MENORES volúmenes de operación (?)

Antecedentes

Digestión anaerobia para el tratamiento de aguas residuales: gran desarrollo durante los últimos 25 años.

Reactores de primera generación: TRH = TRS.

Reactores de segunda generación: TRH < TRS.⇒Existe inmovilización de la biomasa.⇒Mayor concentración celular.⇒Mayores velocidades de carga orgánica.⇒UASB: reactor anaerobio de mayor éxito.

El proceso de digestiónanaeróbica

1. Hidrólisis de material particulado2. Fermentación de aminoácidos y azúcares3. Oxidación anaeróbica de ácidos grasos y alcoholes4. Oxidación anaeróbica de productos intermediarios5. Producción desde acetato de CO2 e H26. Conversión de acetato a metano7. Producción de metano por reducción de CO2 e H2

Subprocesos

Partículas orgánicas100% DQO

100% DQO

Hidr

ólis

isFe

rmen

taci

ón

Oxid

ació

nAn

aero

bia

Acetotróficas Hidrogenotróficas

carbohidratosproteínas lípidos

aminoácidos, azúcares ácidos grasos

Productos intermedios

propionato, butirato...alcoholes

hidrógeno, CO2acetato

metano

Reactores Anaerobios

Filtro Anaerobio

Digestor Ananerobio de

Película Fija

Lecho Fluidizado

Digestor UASB

EVOLUCION REACTORES

0200400600800

1000120014001600

19771982

19871992

19972002

Años

Num

ero

de re

acto

res

Tipos de Reactores

UASBEGSB - ICBaja CargaLecho FijoLecho fluidizado

El Reactor UASB

MANTO DELODOS

SEPARADORSLG

Reactor anaerobio de mayor aplicación.Sin partes móviles.Construcción relativamente simple.Bajo costo de inversión y operación.Flujo ascendente.Utiliza lodo granular (no se requiere de soporte para la biomasa).Es capaz de retener una alta concentración de biomasa.Se pueden aplicar altas velocidades de carga orgánica.

Estratificación de las poblaciones microbianas en los gránulos

AcetogénicasMetanogénicas hidrogenofílicas

AcidogénicasMetanogénicas hidrogenofílicas

Methanosaeta

Las poblaciones que actúan primero se ubican en la porción exterior.

No observado en sustratos simples (etanol).

Gránulos Anaerobios

El Reactor UASB

Producto de un proceso de autoinmovilización.Flujo ascendente genera una presión de selección.Forma esférica, de 0.5 a 3 mm.Densidad de 1.03 a 1.08 g/mL.Alta velocidad de sedimentación, entre 20 y 50 m/h.Elevada actividad metanogénica, entre 0.5 y 2 gDQO/gSSV×d.

Permanencia del lodo en el reactor sin pasos posteriores de separación.Permanencia del lodo en el reactor sin pasos posteriores de separación.

⇒⇒

Gránulos Anaerobios

Agregación

Optimiza la cooperación entre las poblaciones microbianas.

Gránulos ⇒ Inmovilización de un consorcio balanceado

Gránulos ⇒ Inmovilización de un consorcio balanceado

Existen microcolonias de bacterias acetogénicas y metanogénicas.

Se favorece la transferencia de inter-especie del H2.

Gránulos Anaerobios

Gránulos Anaerobios

CARBOHIDRATOS, PROTEINAS, LIPIDOS

AZUCARES, AMINIACIDOS, PEPTIDOS

AGV, ALCOHOLES

ACETATO

CH4, CO2

H2, CO2

metanogénesisacetoclástica

metanogénesishidrogenofílica

acetogénesis

hidrólisis

fermentación de intermediarios

Formación ⇒1. Transporte hacia el sustrato (otras

células)(movimiento browniano, flujos convectivos, sedimentación, etc.)

2. Adsorción por interacciones físico-químicas(teoría DLVO)

3. Adhesión irreversible por interacción bacteriana(secreción de polímeros extracelulares)

4. Multiplicación de las células y desarrollo del gránulo(Methanosaeta genera una red que beneficia la agregación)

Gránulos Anaerobios

Estratificación

Genera un efecto de protección sobre las bacterias metanogénicas.

Bacterias acidogénicas facultativas consumen el O2 presente.

Gránulos anaerobios como consorcio presentan gran resistencia a la presencia de O2 disuelto, a pesar de la toxicidad de éste sobre las metanogénicas.

Gránulos Anaerobios

Flotación Genera el lavado de los gránulos.

Entrapamiento de burbujas al interior de los gránulos.

Adhesión de burbujas de biogás.Depende del grado de hidrofobicidad.Bacterias acidogénicas: hidrofílicas.Bacterias metanogénicas y acetogénicas: hidrofóbicas.Gránulos con estratificación presentan menor tendencia a la flotación por este concepto.

Ocurre con gránulos grandes o en el tratamiento de aguas diluidas por la generación de espacios vacíos al interior de los gránulos

Gránulos Anaerobios

Gránulos Anaerobios

Almacenamiento

Gránulos mantienen viabilidad por períodos prolongados de tiempo.

Reactivación rápida luego de períodos de inactividad.

Re-arranques rápidos.⇒

Apropiado para industrias de producción estacionaria.

⇒

Gránulos Anaerobios

El Reactor UASB

El Reactor UASB

Puntos clave del diseño

Sistema de distribución: debe distribuir de forma homogénea el agua residual, evitando

canalizaciones y zonas muertas

Separador SLG: separa y conduce el biogás, y evita la salida del lodo granular

Materiales de construcción

Generalmente concreto: debe revestirse para evitar corrosión (H2S del biogás)

Reactores pequeños: fibra de vidrio u otros.

El Reactor UASB

Parámetros de operación

pH: alrededor de 7.0

Alcalinidad: α = Alc5.75/Alc.Total

Velocidad Superficial: Vs < 1-1.5 m/h(depende del separador SLG y de la calidad del

lodo)Velocidad de Carga Orgánica (VCO):8-20

kgDQO/m3d

RVDQOFVCO ×

=

TRH: 0.5-2 días

El Reactor UASB

El volumen del reactor depende de:

Carga máxima diaria de DQO

Carga superficial de líquido admisible (Vs)

Concentración del agua residual

Composición del agua residual

Temperatura

El Reactor UASB

Temporalmente (2-4 h) se puede incrementar la velocidad superficial (hasta 2m/h) si los lodos poseen buenas propiedades de sedimentación.

Para lodos floculentos: Vs máxima 0.5 m/h.

Si la Vs es el factor limitante y no la carga:Vs × TRH = hReactor

ContacContac..anaerobioanaerobio

LechoLechofijofijo

LodosLodosactivosactivos

Cargas(Kg DQO/m3·d)Cargas a esp.exp(Kg DQO/m3·d)TRH (d)TRS(d)Temperatura(ºC)% Remoción(DQO)

2-8

0.5-10

0.2-815-835-55

>90

1-15

1-60

0.15-830-3005-35

>90

ComparaciComparacióón n

UASBUASB FiltroFiltropercolpercol..

2-10

0.5-25

0.2-420-3015-35

>90

0.5-2

1-10

1-1510-3015-25

>90

1-3

2-15

0.05-0.2>30

15-25

50-60

Procesos aerobiosProcesos aerobiosProcesos anaerobiosProcesos anaerobiosCont.Cont.

agitadoagitado

0.5-3

0.5-10

>8>8

35-55

60

El Pisco

Aguardiente joven producido solo en las Regiones de Copiapo y La Serena de Chile que se obtiene de la destilación de vinos genuinos originados en cepas moscateles

• Consumo de Pisco en Chile 2003 ~ 45.000 m3

• Superficie plantada con vides ~ 9.800 ha

Prensado

Decantación

SeparaciónMaceración

EnvasadoraFermentación

Escobajo Orujos

Destilación

Flotación

PROCESO DE FABRICACIÓN DEL PISCO

Vinazas

ANALISIS SECTORIALANALISIS SECTORIALProducción de RIL y Vinaza

El Sector Pisquero Produce:

RIL 4200 m3/d VINAZA 390 m3/d

RIL 4. 200 m3/d

VINAZA 390 m3/d

Sistemas de Tratamiento: Alternativas Sistemas de Tratamiento: Alternativas

Tecnologías Disponibles

ProcesosBiológicos

ProcesosFísico-

químicos

ProcesosAerobios(bacterias que usan O2)

Procesos Anaerobios(bacterias que no usan O2)

Proceso Aerobio

TRATAMIENTOBIOLOGICO AEROBIO

AguaResidual

AguaTratada

X cantidad debiomasa

Consumo de Energía1kWh/kg DQOeliminado

TRATAMIENTO BIOLOGICO ANAEROBIO

Agua Residual

Agua Tratada

Lodo anaerobio0.2X biomasa

3 kWh/kg DQO eliminado

Proceso Anaerobio

Cada kg de DQO removido

300 L de metano≈ 400-500 L de biogás

2600 kcal3 kWh

Generación de EnergíaProducción de Biogás

Vinaza: 38 gDQO/L17 m3 de biogás /m3 vinaza100 kWh / m3 vinaza

25 kgDQO / ton uva procesada11250 m3 de biogás / ton uva proc.70 kWh / ton uva procesada

Equivalencias

Vinaza: 38 gDQO/L14 kg de carbón / m3 vinaza, o21 kg de madera / m3 vinaza, o9.7 L de petróleo / m3 vinaza

25 kg DQO / ton uva procesada

9.5 kg de carbón / ton uva procesada, o14 kg de madera / ton uva procesada, o6.4 L de petróleo / ton uva procesada

Equivalencias

Planta Piloto Alto del Carmen

Determinación del tamaño de planta

• Estudio de circuitos de agua y minimización de efluentes

• Determinación de la biodegradabilidad anaerobia de la vinaza

• Determinación de la velocidad de carga orgánica a nivel laboratorio de un reactor UASB

Planta Alto del Carmen

• Planta piloto tipo UASB de app. 50 m3

• Revalorización integral de todos los residuos:• agua tratada para uso en agricultura• lodo anaerobio como bioabono

Planta Piloto Alto del CarmenOctubre 2000

Planta Piloto Alto del CarmenOctubre 2000

50

55

60

65

70

75

80

85

90

95

100

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Tiempo (d)

Efic

ienc

ia d

e R

emoc

ión

DQ

O

0

2

4

6

8

10

12

14

16

VC

O(K

g D

QO

/m3 d)

Planta Piloto Alto del CarmenPuesta en Marcha

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

40000

45000

50000

12 37 62 87 112 137Tiempo (d)

DQO e nt r a da

DQO sa l i da

Planta Piloto Alto del CarmenOperación

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

9.00

12 32 52 72 92 112 132Tiempo (d)

pH

pH entrada pH salida

Parameter Units Results Nitrogen % 5.29 Phosphorus % 1.45 Potassium % 0.32 Calcium % 4.5 Magnesium % 0.42 Zinc ppm 293.8 Manganese ppm 182.5 Iron ppm 13031 Copper ppm 365 Boron ppm 8.16

Composición lodo anaerobio

Utilización de lodo en agriculturaUtilización de lodo en agricultura

PROYECTO LA CHIMBAPROYECTO LA CHIMBA

•Estudio de circuitos de aguas y minimización de efluentes líquidos

•Reactor UASB de 330 m3

•Puesta en marcha : Octubre 2004.

•Biogas generado es evaluado para ser utilizado como fuente de energía

ESQUEMA GENERAL

Reactor UASB La Chimba

Planta La Chimba

Planta La Chimba

Sistema de control de oloresBiofiltro

Tratamiento de Biogas

Se estiman ahorros en costos de energía de aproximadamente 180.000 US$/año equivalentes a 14,8 % del gasto total anual en energía.

Estudio de Cogeneración

En plantas de Sotaqui y Punitaqui este ahorro alcanza valores de 24 %

Utilización del biogás en calderas

Ingreso por US$ 180.000 anuales por 10 años, considerando bono a 6 US$

Plantas de Sotaqui y Punitaqui,

IMPACTO DE LOS BONOS DE CARBONO

POTENCIALIDADPOTENCIALIDAD

NO ES SOLO UN SISTEMA DE TRATAMIENTO, FORMA PARTE DE UNA GESTION SUSTENTABLE GLOBAL

••Recurso energRecurso energééticotico••DisminuciDisminucióón costos de energn costos de energííaa

••DisminuciDisminucióón de emisionesn de emisiones••Ingreso por bonos de carbonoIngreso por bonos de carbono

La digestión anaerobia ha probado ser una tecnología adecuada para el tratamiento de las aguas residuales de la industria de destilados.

Una adecuada gestión permite obtener energía ya sea calórica o eléctrica.

La disminución de emisiones puede generar ganancias adicionales a través del mercado de bonos de carbono a través del MDL del protocolo de Kyoto

Conclusiones