Estudio de aditivos para la optimización de procesos de digestión anaerobia

Abstract

Lo que se ha pretendido alcanzar con este trabajo es el estudio de la mejora, tanto en la producción de biogás, como en el propio proceso de digestión anaeróbica de lodos de depuradoras (EDAR), bien con el aporte de aditivos como levadura y metanol o de residuos no peligrosos, permitiendo en este segundo caso, una buena gestión de los mismos, y en ambos, el aprovechamiento del biogás para producir electricidad en un sistema de cogeneración. En la fase bibliográfica, se ha hecho una revisión exhaustiva del estado del arte de la digestión anaerobia de lodos de depuradoras de aguas residuales y de su aplicación específica para la búsqueda de posibles aditivos para el crecimiento de las especies bacterianas Methanosarcinas, únicos metanógenos anaerobios conocidos e investigados capaces de producir metano usando las tres rutas metanogénicas posibles. La búsqueda de posibles residuos para añadir a los digestores anaerobios tiene un doble objetivo: la posible mejora del proceso de digestión anaerobia y una nueva vía de actividad para las EDAR ya que se podrían convertir en empresas gestoras de los mismos. En la parte experimental se han desarrollado dos líneas de trabajo: una a escala laboratorio con el uso de un equipo de Bioprocess Control, que opera con 15 birreactores de 0,5 litros, en régimen discontinuo, y otra a escala piloto utilizando dos digestores de 10 litros cada uno, operando en régimen semicontinuo. Dentro de cada parte, hay estudios de viabilidad técnico económica que permiten simular la planta y calcular el proceso para establecer si el precio de gestión de agua residual es más barato con el proceso habitual de digestión anaerobia en digestores sin aditivos o añadiéndole algún aditivo a los mismos. La fase experimental primera, operando en régimen discontinuo, consta de seis bloques de ensayos en los que se han usado alternativamente lodos de tres depuradoras y: levadura, metanol, deyecciones ganaderas, lixiviado, residuo de matadero, residuo industrial, como aditivos. En la fase experimental en régimen semicontinuo se han utilizado dos aditivos; constando de dos bloques de ensayos con lodos también de las tres depuradoras, y utilizado los dos aditivos que en ambos ensayos en discontinuo resultaron más favorables a nivel técnico y económico: levadura y residuo industrial. Las magnitudes medidas en cada uno de los seis bloques de ensayos en discontinuo han sido, respectivamente, el % de eliminación de sólidos volátiles, el potencial de biometanización (MLCH4/gSVaditivos) y el volumen de metano, referido a los sólidos volátiles presentes en la alimentación (MLCH4/gSValim). Asimismo, se muestran todas las curvas de biodegradabilidad de evolución del volumen acumulado de CH4 frente al tiempo en cada uno de los experimentos, los cuales han permitido detectar las zonas y los casos en que hay inhibición del proceso así como las situaciones con rendimiento económico positivo, según los resultados, en la simulación de la operación de una planta real, operando con cada uno de los lodos en dichas condiciones. Todos los aditivos y lodos, inicialmente, durante los ensayos, y al finalizar los mismos, han sido caracterizados con referencia a: sólidos totales, sólidos volátiles, pH, conductividad, DQO, nitrógeno total, ácidos grasos volátiles y alcalinidad, respectivamente. En la mayor parte de los bloques de ensayos (tanto en régimen discontinuo como semicontinuo) se ha podido comprobar qué aplicabilidad y rendimientos tendrían a escala real los aditivos usados, gracias a una simulación, que se realiza en un programa en Excel, donde se han usado los datos reales de las plantas y en la cual se introducen los resultados obtenidos en los procesos experimentales llevados a cabo.

The aim of this work is to explore the improvement of both biogas production as well as anaerobic digestion process itself of sewage sludge (EDAR). More specifically, the addition of nutrients, or non-hazardous waste, allows the use of biogas farms exploitation for the production of electricity in cogeneration system. Moreover, this second case ensures that they are properly managed. In the phase of bibliographic research, a comprehensive review (of the state of the art) of the anaerobic digestion of sewage sludge from waste-water treatment plant has been made. Moreover, its specific application for the search of nutrients or waste which fostered the growth of Methanosarcinas bacterial species was also investigated due to the fact that they are the only known anaerobic methanogenic capable of producing methane using the three viable methanogenic routes. The search of possible waste addiction to anaerobic digesters has a dual objective. On one hand, the improvement of the anaerobic digestion. On the other hand, a new activity for EDAR could be possible given that they could become management companies of these wastes. Two work lines have been developed at the experimental part. One of them consists of laboratory experiments with the use of a Bioprocess Control equipment which operates with 15, 0.5 liters batch bioreactors. The other one is an experimental pilot plant using two ten-liters digesters which operate in semi-continuous regime. In both cases, there are economic technical feasibility studies that allow us to actually simulate and calculate the global process to establish if this waste water process adding additives is cheaper, than the standard procedure of anaerobic digester without them. The first experimental step, operating in discontinuous regime consists of six test series using alternatively sludge produced in three water treatment plants and, as additives: yeast, methanol, cattle manure, leachate, slaughter waste and industrial waste, respectively. On the other hand, the experimental step operating in semi-continuous regime was developed using the two most favorable additives from the discontinuous experimentations (yeast and industrial waste) in two test set with sludge from the three named water treatment plants. The measured magnitudes in each test series of the six studied in discontinuous regime have been, respectively, the % of elimination of volatile solid, the biomethanation potential (MLCH4/gSVadditives) and the volume of methane produced referred to the content of volatile solid in the feeding (MLCH4/gSVfeed). Likewise, all biodegradability curves of evolution of accumulated volume of CH4 v.s. time in each experiment have made possible to detect the cases in which there is inhibition of the process as well as situations with positive economic performance in the simulation of a real plant, according to the results, operating with each sludge under such conditions. All additives and sludge at the beginning, and the end, of the experiments have been typified, referred to total solids, volatile solids, pH, conductivity, DQO, total nitrogen, volatile fatty acid and alkalinity, respectively. Most of the tests (discontinuous and continuous regime) have verified the applicability and efficiency of the used nutrients and waste in real plants, thanks to an Excel simulation with the real data of the plants used at the same time that the ones obtained in this experimentation.