COMPARACIÓN ENTRE LA DIGESTIÓN ANAEROBIA

MESOFÍLICA Y TERMOFÍLICA DE LODOS

DE DEPURADORA

V.Riau; M.A de la Rubia; T. Forster-Carneiro; M. Pérez.

0

20

40

60

80

0,98 1,30 1,95OLR (gVS/L·d)

%V

S R

emov

al

thermophilic mesophilic

INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS MATERIAL Y

METODOLOGÍA

CONCLUSIONESRESULTADOS

Introducción y objetivosDIGESTIÓN ANAEROBIA

Materia OrgánicaAusencia de Oxígeno

(microorganismos) (microorganismos)CH4 + CO2 + H2O

Introducción y objetivos

Más sensible a cambios de las condiciones de operación (Tª, VCO y características del fango

de alimentación (Van Lier, 1996).

Poco sensible a cambios en las condiciones de operación.

Requiere energía adicional para calentar el digestor (Kim et al, 2002).

No necesita energía adicional

Pobre deshidratabilidadBuena deshidratabilidad del efluente.

Mayor eficacia empleando las altas tasas metabólicas de los microorganismos.

(Auki and Kawase, 1991; Zabranska, 2000).

Menor eficiencia en la reducción de SV y en la desactivación de patógenos.

TRS≤ 20 díasTRS>20 días.

55ºC.35ºC.

Digestión termofílicaDigestiDigestióón n mesofmesofíílicalica

Introducción y objetivos

● Objetivo:

Analizar la influencia de la Velocidad de Velocidad de Carga OrgCarga Orgáánica (VCO) nica (VCO) (Tiempo de Retención de Sólidos) sobre la eficacia de eliminación de DQO y SVDQO y SV en los procesos de digestión anaerobia de lodos, en condiciones termofílicas (55ºC) y mesofílicas (35°C).

Material y metodología1) DESCRIPCIÓN DEL DIGESTOR

● Dos digestores anaerobios de 5 litros:

• Termofílico (55ºC).

• Mesofílico (35ºC).

Material y metodología

● Régimen de mezcla completa.● Agitación mecánica● Alimentación semicontinua.

(una vez al día) utilizando lodos mixtos de la E.D.A.R. San Fernando- Cádiz.

● Toma de muestras.

1) DESCRIPCIÓN DEL DIGESTOR

Material y metodología

La temperatura se mantiene mediante recirculación de agua a través del encamisado del reactor.

CABEZA CALEFACTORA

BAÑO TERMOSTÁTICO

RECIRCULACIÓN DE AGUA

1) DESCRIPCIÓN DEL DIGESTOR

Material y metodología

● El biogás generado es recogido y almacenado en una bolsa Tedlar.

1) DESCRIPCIÓN DEL DIGESTOR

Material y metodología

● El inóculo mesofílico se obtiene del efluente del digestor industrial de la E.D.A.R. San Fernando-Cádiz, que opera a 35°C.

● Inicialmente, el digestor mesofílico opera a TRS 30 días (simulando las condiciones de operación de la depuradora) y, posteriormente se reduce el TRS a 20 días.

2.a) PROCESO MESOFÍLICO

Material y metodología

● El inóculo termoftermofíílicolico se obtiene a partir del lodomesofmesofíílicolico anterior aplicando el protocolo de transición gradual de temperatura descrito por De la Rubia et al. (2005).

● Inicialmente, se opera a TRS 40 días durante 3 meses. Posteriormente se reduce a TRS 30 díashasta alcanzar condiciones estables (3 tiempos de retención).

● Finalmente, el digestor opera a TRS 20 días.

2.b) PROCESO TERMOFÍLICO

Material y metodologMaterial y metodologííaa

Los parámetros estudiados son:

● Demanda Química de Oxígeno (DQO)● Sólidos Totales (ST) y Sólidos Volátiles (SV) ● pH● Alcalinidad● Producción y composición de biogás (%CH4 y %CO2) ● Concentración de Ácidos Grasos Volátiles (AGV)

De acuerdo con los métodos estandarizados

(Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater (1995))

3) MUESTREO Y ANÁLISIS

Material y metodologMaterial y metodologííaa

● El volumen de biogás recogido en la bolsa Tedlar es cuantificado a través de un medidor de flujo de gas.

● Las composiciones de biogás (CH4 y CO2) y de AGV son determinadas por cromatografía gaseosa de acuerdo con los métodos previamente descritos por los autores (De la Rubia et al, 2002).

3) MUESTREO Y ANÁLISIS

BOMBA

Material y metodologMaterial y metodologííaa

4) CONDICIONES DE OPERACIÓN

39Sólidos Volátiles (g/L)

67% SV

58Sólidos Totales (g/L)

5.94pH

66DQO (g/L)Las principales características del fango de alimentación son:

Material y metodologMaterial y metodologííaa

● El progreso de la digestión se determina mediante el seguimiento de la DQO y los SV eliminados (comúnmente utilizados como indicadores en el seguimiento de los procesos de digestión anaerobia), producción y composición de biogás, pH y las concentraciones de AGV a diferentes TRS:

●● Reactor termofReactor termofíílico: lico: VCO1: 0.98 g SV/L.d (40 días)VCO2: 1.30 g SV/L.d (30 días)VCO3: 1.95 g SV/L.d (20 días)

●● Reactor mesofReactor mesofíílico:lico: VCO1: 1.30 g SV/L.d (30 días)VCO2: 1.95 g SV/L.d (20 días)

● Se presentan los resultados obtenidos tras operar durante 3 tiempos de retención.

Material y metodologMaterial y metodologííaa

● Inicialmente, el reactor termofílico se alimenta con lodos mixtos de depuradora (mezcla de lodos primarios y secundarios) con 58 gST/L y 39 gSV/L, TRS 40 días (VCO = 0,98 kg SV/m3.d).

● Tras alcanzar la estabilidad, el TRS se disminuye a 30 días (VCO = 1,30 kg SV/m3.d).

(consideramos condiciones estables cuando se alcanzan características constantes del efluente en cuanto a SVe, DQOe y producción de metano).

● En este momento se pone en marcha el digestor mesofílico a TRS 30 días alimentado con los mismos lodos mixtos.

● Experimentalmente, la VCO (en términos de DQO y de SV) se incrementa por disminución del TRS entre 40 y 20 días.

4) CONDICIONES DE OPERACIÓN

Fang and Chui (1995) exponen que la eficiencia en la eliminación de DQO depende de la VCO suministrada (kg DQO/m3.d) y es poco sensible al THR y DQO del agua residual de la que provienen los lodos.

ResultadosResultados

● Relación: eficacia de eliminación de SV - Velocidad de Carga Orgánica (en condiciones mesofílicas y

termofílicas).

0

20

40

60

80

0,98 1,30 1,95OLR (gVS/L·d)

%V

S R

emov

al

thermophilic mesophilic

● La reducción de ST y SV es siempre mayor en la unidad termoftermofíílicalica. .

● Para Velocidad de Carga Orgánica mayores de 1,30 kg SV/m3.d(TRS= 20 días), la eficacia del procesomesofmesofíílicolico desciende bruscamente hasta un 36% de eliminación de SV.

ResultadosResultados

● Para Velocidades de Carga Orgánica 2,2 kg DQO/m3.d (TRS=30 días), la eficacia de ambos procesos es similar (aprox. 50 % de reducción de DQO).

● Para VCO de 3,3 kg DQO/m3.d (20 días de TRS),la eficacia en el sistema termoftermofíílicolico es mayor que en el mesofmesofíílicolico (48,9% frente a 43,5% de DQO eliminada, respectivamente).

ResultadosResultados

● En todos los casos, la media del porcentaje de CH4 en cada unidad es del 65%, variando entre 62,7 % y 65,5%.

0,460,391,95

0,320,371,30

TermofTermofíílicolicoMesofMesofíílicolico

Generación de biogás(m3/m3.d) VCO

(kg SV/m3.d)

ResultadosResultados

● Condiciones termofílicas:

0,0

0,2

0,4

0,98 1,30 1,95OLR (gVS/L·d)

met

hane

rate

prod

uctio

nLC

H 4/L

·d

thermophilic mesophilic

0,0

0,2

0,4

0,98 1,30 1,95OLR (gVS/L·d)

met

hane

prod

uctio

nac

tivity

LCH 4/g

VSr

thermophilic mesophilic

Influencia de la VCO en:a) Velocidad de producción de metano (en m3CH4/m3dig·d)

b) Producción de metano por SV eliminado (en m3 de metano producido por gramo de SV eliminado).

● El volumen de metano generado aumenta al disminuir el TRS.

VCO = 0,98 gSV/L.d 0,11 m3CH4/m3·d

VCO = 1,95 gSV/L.d 0,30 m3CH4/m3·d

Resultados● Para VCO 1,30 kg SV/m3.d (TRS=30 días), la velocidad de producción de metano en el digestor mesofilico es mayor que en la unidad termofílica (0,24 m3/m3.d frente a 0,21 m3/m3.d).

● Para VCO de 1,95 kg SV/m3.d (TRS=20 días), la producción de metano por gramo de SV eliminado (L.CH4/g SVe) del reactor termofílico es mayor que en la unidad mesofílica, 0,35 y 0,33 m3

CH4/kg SVe.

0,0

0,2

0,4

0,98 1,30 1,95OLR (gVS/L·d)

met

hane

rate

prod

uctio

nLC

H 4/L

·d

thermophilic mesophilic

0,0

0,2

0,4

0,98 1,30 1,95OLR (gVS/L·d)

met

hane

prod

uctio

nac

tivity

LCH 4

/gVS

r

thermophilic mesophilic

a) b)

Influencia de la VCO en:a) Velocidad de producción de metano (en m3CH4/m3dig·d)

b) Producción de metano por SV eliminado (en m3 de metano producido por gramo de SV eliminado).

Resultados

64324882176179112551541387171.95

6320460218719249221211145721.30

5379332200119600.98

Acidez total (mg/L)C4 (mg/L)

C3(mg/L)

C2(mg/L)

Acidez total (mg/L)C4 (mg/L)

C3(mg/L)

C2(mg/L)

VCO (gSV/L·d)

TermofílicoMesofílico

Niveles individuales de AGV (Acético, propiónico, n-butírico and AGV total, en mg/L) en el efluente.

Los niveles de Los niveles de áácidos cidos grasos volgrasos voláátiles totales tiles totales aumentan desde 5300 a aumentan desde 5300 a

6500 6500 mgmg/L cuando el /L cuando el TRS aumenta de 0,98 a TRS aumenta de 0,98 a

1,95 1,95 kgkg SV/mSV/m33 .d.d

La concentraciLa concentracióón de nn de n--butirato butirato aumenta ligeramente en la aumenta ligeramente en la primera etapa y permanece primera etapa y permanece

constante para los TRS constante para los TRS superioressuperiores

ResultadosResultados

● Los niveles individuales de ácidos grasos volátiles son consistentemente menores en el digestor mesofílico que en el termofílico para todas las VCO estudiadas.

● Sin embargo, se observa estabilidad en la evolución del digestor en todas las etapas del proceso termofílico.

● Resultados coincidentes con estudios bibliográficos (Zinder, 1986).

ResultadosResultados

12510(30 días TRS)

14520 (30 días TRS)

650 - 2115 Alcalinidad (mgCaCO3/L)

0.065 (30 días TRS)

0.43 (30 días TRS)

-relación ac/alk.

>7.57.7 - 7.95.4 – 5.9pH

MesofílicoTermofílicoLodos mixtos

ConclusionesConclusiones

● No existen ventajas significativas de la digestión termofílica con respecto a la mesofílica a VCO de 1,30 kgVS/m3·d(TRS de 30 días).

● Para VCO de 1,95 kgVS/m3·d (TRS de 20 días), el procesotermofílico essignificativamente mejorque el mesofílico

0,310,31Generación de CH4

(m3CH4/kg SVe)

5159% SV eliminados

MesofMesofíílicolicoTermofTermofíílicolico

0,250,30Generación de CH4

(m3CH4/kg SVe)

3644% SV eliminados

MesofMesofíílicolicoTermofTermofíílicolico

TRS = 30 días

TRS = 20 días

●Esta investigación se enmarca en el proyecto MMA MMA -- I+D+I I+D+I

nnºº:292/2006/3:292/2006/3--4.2 (Secretar4.2 (Secretaríía a General para la PrevenciGeneral para la Prevencióón de n de la Contaminacila Contaminacióón y el Cambio n y el Cambio

ClimClimáático del Ministerio de tico del Ministerio de Medio Ambiente).Medio Ambiente).

ReferenciasReferencias

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● De la Rubia MA, Pérez M, Romero LI, Sales D. (2002) Anaerobic mesophilic and thermophilic municipal sludge digestion. Chem. Biochem. Eng. Q. 16(3), 119–24.

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● Zinder, S.H. (1986). Thermophilic waste treatment systems. In Brock TD, editor. Thermophiles: general molecular and applied biology. New York: Wiley Interscience, 257-277.