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DISEÑO Y OPERACIÓN DE SISTEMAS ANAEROBIOS

2018

• Martes y jueves de 18 a 21 hs • Docentes:

– Liliana Borzacconi (lilianab@fing.edu.uy) – Iván López (ivanl@fing.edu.uy) – Mauricio Passeggi (passeggi@fing.edu.uy) – Elena Castelló (elenacas@fing.edu.uy)

• Plataforma EVA: http://eva.fing.edu.uy/ ► Instituto: Ingeniería Química/ ►Posgrados y Cursos Actualización/ ►DOSA. Diseño y Operación de Sistemas Anaerobios

Clave de Matriculación: DOSA

• El control de la contaminación ambiental y el uso de los recursos energéticos generan grandes desafíos para el desarrollo de la humanidad.

• El enfoque tradicional del control de la contaminación ha demostrado lo acotado de sus posibilidades.

• La biotecnología, y en particular la biotecnología anaerobia aparecen como una alternativa sostenible que combina el tratamiento de residuos (u otros sustratos) con la valorización de los mismos en la forma de otros productos y de energía renovable.

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La digestión anaerobia es tan vieja como el mundo: es un proceso natural que involucra microorganismos de tipo Bacteria y de tipo Archaea, trabajando en conjunto para convertir las sustancias orgánicas en una gran variedad de intermediarios y finalmente en gas metano y anhídrido carbónico.

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Algo de historia...

• Experimentos de van Leeuwenhock en 1680, observa “very little animalcules”

• Volta que en 1776 descubrió un “aire combustible” que se formaba en los sedimentos de lagos, etc.

• En 1856 Reiset estudió el metano que se liberaba de pilas de estiércol.

• La primer aplicación a gran escala fue en aguas residuales en lo que se conoce como tanque séptico: “Mouras Automatic Scavenger” (1881), aunque la invención databa de veinte años atrás.

• Alrededor de 1890 W.D.Scott construye una especie de reactor híbrido entre un tanque digestor y un filtro anaerobio.

• Alrededor de 1880 en Massachusetts se construye un filtro anaerobio

• En 1895 se construye un tanque séptico en Inglaterra para tratar 230 m3/d y surgen en otros lados, comenzando asimismo la utilización del metano.

• En 1904 Travis pone en operación un proceso en dos etapas que es modificado en 1905 por Karl Imhoff en Alemania, popularizándo-se su tanque inmediatamente.

Tanque Imhoff

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• El interés inicial por aplicar la DA a efluentes industriales puede atribuirse a Buswell y sus colaboradores a partir de los años 1920. Pero el énfasis se traslada entonces a la digestión anaerobia de los lodos.

• En los 60, trabajos en Sudáfrica (Clarigester) y USA (Filtro anaeróbico)

• Si bien hay aplicaciones a lo largo del siglo XX el salto más importante se da a comienzos de los 80 con la consolidación del reactor UASB desarrollado por Lettingay colaboradores en Holanda

• La clave del suceso en las aplicaciones en efluentes de la tecnología anaerobia está en desacoplar el tiempo de residencia hidráulico del líquido con el tiempo de retención del sólido. Esto conduce a menores volúmenes con menores costos de inversión y a su vez a configuraciones más estables y con menores costos de operación.

• El metano generado (y eventualmente el hidrógeno) tiene potencial como fuente de energía

• La producción neta de biosólido tiene potenciales aplicaciones como mejorador de suelos

• Se producen menos lodos y más estabilizados que en los procesos aerobios

• Se reduce sensiblemente la cantidad de patógenos

• Puede degradar algunos compuestos que son recalcitrantes en procesos aerobios

• Requiere menor volumen de reactor que otros procesos biológicos (un orden de magnitud)

• No requiere suministro extra de energía en cantidades importantes

• La operación es más sencilla que en sistemas aerobios (no hay que preocuparse por aireación y clarificación)

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T R A T A M IE N T O

A N A E R O B IO

D IG E S T IÓ N

A N A E R O B IA

R E S ID U O S

LÍQ U ID O S

S LU R R IE S

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Irrigac ió n,

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E nerg ía

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E nerg ía

Tecnología Anaerobia como elemento clave de un sistema basado en la Protección Ambiental y la Conservación de Recursos

• Fermentación anaeróbica: la materia orgánica es catabolizada en ausencia de un aceptor de electrones externo por microorganismos anaerobios estrictos o facultativos. La propia materia orgánica actúa como aceptor y dador de electrones a la vez.

• Respiración anaeróbica: requiere aceptores de electrones externos (CO2, SO4

2-, NO3- p.ej.)

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• Rendimiento de biomasa:

S

XY

X biomasa (gSSV/L), S sustrato (gDQO/L)

El proceso metabólico de los microorganismos aerobios genera en total 38 mol ATP por mol de glucosa. Sin embargo en los anaerobios se genera solo 4 mol de ATP.Por lo tanto se genera mucha menos biomasa en los procesos anaeróbicos en comparación con los aeróbicos.

Balances de C y energía

AERÓBICO

100 kgDQO

+

Aireación

(100 kWh)

Lodo, 30-60 kg

(Pérdidas de calor)

Efluente

2-10 kgDQO

Balances de C y energía

ANAERÓBICO

100 kgDQO

Lodo, 5 kg

Biogás 35 m3 (285kWh)

Efluente

10-20 kgDQO

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Recuperación energética

• Producción de metano: estequiométricamente1 kg DQO genera 0.35 Nm3 de CH4 y de acuerdo a su poder calorífico eso equivale a un potencial energético de 3.37 kWh, o bien 12.1 MJ, o bien 2900 kcal

• Producción de hidrógeno:

– Fermentación acética

– Fermentación butírica

kJGHCOCOOHCHCHOHC O 25522 222236126

kJGHCOCOOHCHOHOHC O 1844222 22326126

Normalmente predomina la fermentación butírica y solo se producen unos 2.5 moles de H2 por mol de glucosa.Si se produjeran los 4 moles, equivaldría a 0.47L H2/gCOD pero normalmente los valores están en torno a la mitad.

• Menores necesidades de energía: No se requiere energía para suministro de oxígeno (se evitan 0.5-0.75 kWh por kg de DQO removido)

• Menores necesidades de nutrientes

• Mayor carga orgánica volumétrica (menor volumen de reactor, menor espacio)

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Menor generación de lodo

Producción de otras sustancias valorizables

• Ácido acético

• Ácido butírico

• Ácido láctico

• Butanol (fermentación ABE)

• Metanol (oxidación catalítica del metano)

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Comparación entre tratamiento aerobio y anaerobio para industria azucarera (Lema y Omil, 2001)

ANAEROBIO AEROBIO

Carga (tonDQO/año) 22.400 22.000

Prod. Lodos (ton/año) 1.500 7.500

Costos manejo lodos (€/año) 225.000 900.000

(% de las ventas) 0.3 1.5

Consumo neto de energía

(MWh/año)

- 31.400

(% de las ventas) - 0.25

Producción neta de energía

(MWh/año)

26.880 -

(% de retorno en las ventas) 0.2 -

Superficie (m2) 2.500 10.000

INERTES PARTICULADOS

CARBOHIDRATOS

RESIDUOS PARTICULADOS COMPLEJOS

PROTEÍNAS GRASASINERTES SOLUBLES

MONOSACÁRIDOS AMINOÁCIDOSAC.GRASOS DE

CADENA LARGA

PROPIONATO HVa, HBu

ACETATO H2

CH4, CO2

1

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INERTES PARTICULADOS

CARBOHIDRATOS

RESIDUOS PARTICULADOS COMPLEJOS

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CADENA LARGA

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ACETATO H2

CH4, CO2

INERTES PARTICULADOS

CARBOHIDRATOS

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CH4, CO2

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1

2 3

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Procesos bioquímicos involucrados en la digestión anaeróbica; (1) acidogénesis a partir de azúcares, (2) acidogénesis a partir de aminoácidos, (3) acetogénesis a partir de AGCL, (4) acetogénesis a partir de

propionato, (5) acetogénesis a partir de butirato y valerato, (6) metanogénesis acetoclástica, (7) metanogénesis hidrogenotrófica.

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Nº de reactores para efluentes líquidos (Van Lier, 2008)

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Papelera- Guadalajara, Mexico , 90000 ton, BIOPAQ® IC

Procesamiento de papa, Japón, 800 kgDQO/d

Papelera, Korea, 42100 kgDQO/d27158 m3/d

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En buena parte del SXX la DA estuvo asociada a la digestión de los lodos de las plantas de tratamiento aerobias de aguas domésticas.

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DA de residuos sólidos y lodos

• Extensamente implementado para lodos de plantas de tratamiento aerobias

• Aplicable también a residuos orgánicos urbanos, siempre que exista separación previa

• Codigestión con otros residuos orgánicos

• Digestión “húmeda” y “seca”

• Mesofílico / termofílico

• En una etapa o en dos

• Continuo / discontinuo

• Gran futuro de acuerdo a las nuevas normativas

Desarrollo de la capacidad instalada en Europa para residuos sólidos municipales (De Baere, 2006)

Período Aumento de

capacidad

(ton/año)

Tamaño medio

de las plantas

(ton/año)

Plantas

construidas en

el período

1991-1995 33.000 12.700 13

1996-2000 186.000 21.100 44

2001-2005 428.000 42.800 52

Título: Situación y potencial de generación de biogás. Estudio Técnico PER 2011-2020 Madrid, 2011 Autores: AINIA: Andrés Pascual, Begoña Ruiz, Paz Gómez GIRO: Xavier Flotats, Belén Fernández

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Tecnología anaerobia y desarrollo sostenible: “Desarrollo

Sostenible es aquel que satisface las necesidades del presente sin comprometer la posibilidad de las futuras generaciones de satisfacer sus propias necesidades”

• Tendencia a minimizar las emisiones para disminuir los potenciales impactos (reducir, reusar, recuperar, reciclar)

• Tendencia al tratamiento de residuos in situ, sin mezclar ni diluir en la medida de lo posible

• Tendencia al aprovechamiento de los recursos, particularmente el energético

¿Por qué la DA coincide con los objetivos de una producción limpia?

• Eficiencia energética• Menor generación de sólidos a disponer• Son posibles altas cargas a altas concentraciones• Estabilidad y pocos problemas operacionales• Tratamiento de efluentes estacionales• Biotransformación y biodegradación de

xenobióticos• No se emiten al aire compuestos volátiles

peligrosos• Tecnología flexible

LIMITACIONES• Tiempo de arranque largo (sobre todo si no se

posee un buen inóculo).

• Tiempo de recuperación relativamente largo frente a perturbaciones fuertes.

• Más sensible a cambios en condiciones ambientales (pH, temperatura, por ejemplo)

• Competencia con otros microorganismos (sulfato reductoras, p.ej.)

• No suelen alcanzarse las condiciones de vertido

• No remueve nutrientes

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POTENCIAL DE PRODUCCIÓN DE BIOGÁS

• Conociendo la cantidad de sustrato y el factor de conversión a metano puede calcularse el potencial teórico de producción.

UTILIZACIÓN DEL BIOGÁS

• Quema en caldera de la propia industria

• Quema para calentamiento de agua

• Conversión a energía eléctrica en motogeneradoro turbina

• Inyección en la red domiciliaria (requiere depuración)

• Combustible automotriz (requiere depuración)

HAY QUE ANALIZAR CADA CASO EN FORMA INDIVIDUAL PARA ENCONTRAR LA MEJOR SOLUCIÓNDEPENDE TAMBIÉN DEL TAMAÑO DE LAS INSTALACIONES

CÁLCULO DEL POTENCIAL

• Estimar la producción de sustrato

• Índice de metanización del sustrato

• Definir rangos mínimo y máximo de captación del sustrato

• Estimación del potencial disponible de metano a partir de cada residuo

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Potencial de producción de metano en agroindustrias

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mill

oes

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CH

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año

mínimo

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Producción de metano a partir de distintos residuos. Estimación de mínima y de máxima.

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on

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min

max

Potencial de los principales tipos de residuos, capacidad

de generación de electricidad y calor

Metano

(millones de

m3/año)

Energía

eléctrica

(GWh/año)

Potencia

eléctrica

(MW)

Calor

(TJ/año)

min max min max min max min max

Residuos sólidos agroindustria 10 24 30.6 75.4 6.9 14.0 129 309

Residuos hortifrutícolas 0.3 0.4 0.8 1.3 0.1 0.1 3 5

Res. cultivos de temporada 20 29 58.2 87.2 6.3 9.5 247 371

Estiercol 1.5 2.3 4.4 6.5 0.5 0.7 18 27

Efluente de frigorífico 4.0 4.9 13.6 16.4 1.6 1.9 49 59

Efluente lácteo 2.9 3.4 9.1 10.9 1.0 1.2 35 42

Vinaza 2.2 2.6 7.4 8.9 0.8 1.0 27 32

Lodos plantas cloacales 1.1 1.4 3.9 4.7 0.4 0.5 94 113

RSU 8.9 13.3 30.0 45.0 3.4 5.1 108 162

total 52 84 162 263 21 34 649 1052

Potencial de cerca del 2% de la energía primaria del país y entre 2 y 3% de la demanda eléctrica.

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CULTIVOS ENERGÉTICOS

• 3 ton MS/ha.año• 90% SV• 250 m3CH4/tSV.año• 675 m3CH4/ha.año• Aprovechamiento neto 65%• 15.3GJ o 366kep por hectárea y por año• Por ejemplo con una superficie equivalente a la

mitad de lo que hoy se dedica a pradera mejorada podría generarse el 12% de la energía primaria del país