27/06/2016

SISTEMAS ANAEROBIOS CON PRODUCCIÓN DE BIOGÁS 2016

• Docentes: – – – –

Liliana Borzacconi ([email protected]) Iván López ([email protected]) Mauricio Passeggi ([email protected]) Elena Castelló ([email protected]) • Plataforma EVA: http://eva.fing.edu.uy / ► Institutos / ► Ingeniería Química • / ► Posgrados/ DOSA_2016 Diseño y Operación de Sistemas Anaerobios

Contraseña: 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, popularizándose su tanque inmediatamente. • El énfasis se traslada entonces a la digestión de los lodos y ya en 1927 aparece en Alemania un primer reactor calefaccionado

• El interés inicial por aplicar la DA a efluentes industriales puede atribuirse a Buswell y sus colaboradores a partir de los años 1920. • 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 Lettinga y colaboradores en Holanda

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• 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)

Tecnología Anaerobia como elemento clave de un sistema basado en la Protección Ambiental y la Conservación de Recursos E n e rg ía

A lim e n to s

B io g á s R E S ID U O S L ÍQ U ID O S S L U R R IE S R E S ID U O S S Ó L ID O S

P is c ic u ltu r a 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

E F LU E N T E S L ÍQ U ID O S

PO STRAT A M IE N T O

Irrig a c ió n , fe rtiliz a c ió n

R e c u p e ra c ió n d e fe rtiliz a n te s

A lim e n to s

A lim e n to s

B IO M A S A Lodo e s ta b iliz a d o

A lim e n to s

A c o n d ic io n a m ie n to d e s u e lo s

A gua tra ta d a p a ra re u s o

A gua tra ta d a p a ra d e s c a rg a

R e c u p e ra c ió n d e m a te r ia

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• 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, SO42-, NO3- p.ej.)

• Rendimiento de biomasa: Y

X S

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.

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Balances de C y energía (Pérdidas de calor)

100 kgDQO +

Efluente

AERÓBICO

Aireación

2-10 kgDQO

(100 kWh)

Lodo, 30-60 kg

Balances de C y energía

Biogás 40 - 45 m3 , ~70% CH4 (285kWh)

100 kgDQO

Efluente

ANAERÓBICO 10-20 kgDQO

Lodo, 5 kg

Recuperación energética • Producción de metano: estequiométricamente 1 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: C6 H12O6  2 H 2O  2CH 3COOH  2CO2  4 H 2 C6 H12O6  CH 3 CH 2 2 COOH  2CO2  2 H 2

G O  184kJ G O  255kJ

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• 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, entre 5 y 35 kgCOD/m3.d (menor volumen de reactor, menor espacio)

Menor generación de lodo

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

Carga (tonDQO/año) Prod. Lodos (ton/año) Costos manejo lodos (€/año) (% de las ventas)

Consumo neto de energía (MWh/año) (% de las ventas)

Producción neta de energía (MWh/año) (% de retorno en las ventas)

Superficie (m2)

ANAEROBIO 22.400 1.500 225.000

AEROBIO 22.000 7.500 900.000

0.3

1.5

-

31.400

-

0.25

26.880

-

0.2

-

2.500

10.000

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RESIDUOS PARTICULADOS COMPLEJOS INERTES PARTICULADOS

CARBOHIDRATOS

PROTEÍNAS

GRASAS INERTES SOLUBLES

MONOSACÁRIDOS

AMINOÁCIDOS

AC.GRASOS DE CADENA LARGA

1

3

2

PROPIONATO 5

HVa, HBu

4

ACETATO

6

H2

CH4, CO2

7

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) construidos por las empresas Paques, Biothane, Biotim Enviroasia, ADI, Waterleau, Kurita, Degremont, Envirochemie, GWE, Grontmij y otras locales.

Habría que sumar unos 500 más construidos por pequeñas compañías locales

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

Procesamiento de papa, Japón, 800 kgDQO/d

Papelera, Korea, 42100 kgDQO/d 27158 m3/d

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INDUSTRIA AGROALIMENTARIA

Azúcar

Dulces

BEBIDAS

DESTILERÍAS DE ALCOHOL

PULPA Y PAPEL

VARIOS

Cerveza

Jugo de caña de azúcar

Papel reciclado

Químicas

Pulpa Mecánica

Farmacéutica

Pulpa al sulfito

Cloacales

Bagazo y paja

Lixiviado

Papa

Frutas

Maltería

Almidón

Vegetales

Gaseosas

Levaduras

Lechería

Jugos

Pectina

Panadería

Vino

Ac. Cítrico

Levaduras, Italia

Melaza de caña Melaza de remolacha Grapa

Etc

Café

Cerveza, Brasil

Destilería, Japón

Papel, Netherlands

Químicas, Netherlands

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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

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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 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 motogenerador o turbina • Inyección en la red domiciliaria (requiere depuración) • Combustible automotriz (requiere depuración) HAY QUE ANALIZAR CADA CASO EN FORMA INDIVIDUAL PARA ENCONTRAR LA MEJOR SOLUCIÓN DEPENDE 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 en el Uruguay 10 9 8

milloes m3 CH4 / año

7 6 5 mínimo 4

máximo

3 2 1 0

Producción de metano a partir de distintos residuos. Estimación de mínima y de máxima. 35

millones de m3/año de CH4

30

25

20

15 min max

10

5

0

Potencial de los principales tipos de residuos, capacidad de generación de electricidad y calor

Residuos sólidos agroindustria Residuos hortifrutícolas Res. cultivos de temporada Estiercol Efluente de frigorífico Efluente lácteo Vinaza Lodos plantas cloacales RSU total

Metano (millones de m3/año)

Energía eléctrica

Potencia eléctrica

Calor

(GWh/año)

(MW)

(TJ/año)

min

min

10 0.3 20 1.5 4.0 2.9 2.2 1.1 8.9 52

max 24 0.4 29 2.3 4.9 3.4 2.6 1.4 13.3 84

30.6 0.8 58.2 4.4 13.6 9.1 7.4 3.9 30.0 162

max 75.4 1.3 87.2 6.5 16.4 10.9 8.9 4.7 45.0 263

min 6.9 0.1 6.3 0.5 1.6 1.0 0.8 0.4 3.4 21

max 14.0 0.1 9.5 0.7 1.9 1.2 1.0 0.5 5.1 34

min 129 3 247 18 49 35 27 94 108 649

max 309 5 371 27 59 42 32 113 162 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 en Uruguay podría generarse el 12% de la energía primaria del país

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