Estudi de l'efecte dels parametres del proces en la digestio anaerobia termofilica de fangs de depuradora, avaluació del pre-tractament termic dels fangs i valoracó energetica global

Abstract

El consum energètic representa un 30 % deis costos d'operació en sistemes intensius de tractament d'aigües residuals urbanes. En depuradores convencionals que utilitzin un sistema de fangs activats, entorn al 15-20 % de l'energia és consumida en la línia dels fangs, que Inclou el bombeig, l'espessiment, l'estabilització i la deshidratació. Per tant, la optimització de la gestió dels fangs pot contribuir substancialment en la reducció dels costos de tractament d'aigües residuals. La digestió anaeròbia termofílica és més eficient que la mesofílica I pscicrofílica, en termes de producció de biogàs i metà, eliminació de sòlids volàtils (SV) i destrucció de patògens. El procés es pot accelerar mitjançant el pre-tractament dels fangs, afavorint la seva solubilització I hidròlisi. L'objecte d'aquesta Tesi Doctoral fou estudiar l'impacte dels paràmetres del procés en la digestió anaeròbia termofílica dels fangs de depuradora urbana, avaluar l'efecte del pre-tractament tèrmic dels fangs a baixa temperatura, i valorar processos alternatius des del punt de vista energètic. Els resultats experimentals presentats s'obtingueren mitjançant l'operació de dos reactors de laboratori durant prop de dos anys. En aquest període es va estudiar l'efecte de la temperatura del procés, del temps de retenció dels fangs (TRF), de la velocitat de càrrega orgànica (VCO) i del pre-tractament a 70 °C en la digestió anaeròbia dels fangs de depuradora. El procés fou avaluat en termes de la producció d'energia (biogàs i metà) i de la qualitat del fang digerit (contingut de SV i d'àcids grassos volàtils (AGV), facilitat de deshidratació i higienització). S'analitzà l'estabilitat del procés a mesura que es reduïa el TRF i s'incrementava la VCO, i es comparà l'eficiència en períodes d'estabilitat corresponents a les diferents condicions operacionals. Finalment, s'avaluaren els resultats des del punt de vista energètic, mitjançant el càlcul de balanços i ratis energètics teòrics, que es compararen amb els resultats obtinguts a partir de dades experimentals d'altres estudis. També s'utilitzà un model cinètic de primer ordre. Les conclusions que es desprenen d'aquest treball es resumeixen a continuació: Durant la digestió anaeròbia dels fangs, la transició d'un reactor mesophilic (43 °C) a termofílic (50 °C) es podria dur a terme sense alterar el procés, treballant a TRF elevats ( 30 dies) i VCO baixes ( 0.5 kg SV m-3reactor d-1). En aquestes condicions, les principals diferències entre reactors termofílics (50-55 °C) I mesofílics (38-43 °C) fan referència a una certa acumulació d'AGV (0.5-2.5 g L-1) i millora de la destrucció de patògens (E. coli 102 UFC mL-1). La digestió termofílica a 50 °C i 55 °C dóna lloc a resultats similars pel que fa a la producció de biogàs, estabilització, higienització i facilitat de deshidratació de l'efluent, si no varien els altres paràmetres operacionals. La producció de metà tendeix a Incrementar proporcionalment a la VCO, és a dir al TRF I el contingut de SV als fangs alimentats. Així mateix, la qualitat de l'efluent (contingut de SV i AGV, facilitat de deshidratació dels fangs) també depèn de la VCO. D'acord amb els resultats obtinguts a 55 °C, la producció de metà s'Incrementà 2-3 vegades (de 0.2 a 0.4-0.6 m3CH4 m3reactor d-1) en disminuir el TRF de 30 a 15-10 dies, incrementant la VCO de 0.5 a 2.5-3.5 kg SV m3reactor d-1. En canvi, el procés es desestabilitzà amb la reducció del TRF a 6 dies I VCO per sobre de 5 kg SV m3reactor d-1. Les següents concentracions poden ser útils per detectar i prevenir la desestabilització d'un digestor termofílic de fangs: AGV totals (2.5 g L-1). acetat (0.5 g L-1), rati acetat/propionat (0.5), alcalinitat intermèdia (1.8 g CaC03 L-1), rati alcalinitat intermèdia/alcalinitat parcial (0.9), rati alcalinitat Intermèdia/alcalinitat total (0.5), contingut de metà al biogàs (55 %). El pre-tractament a 70 °C afavoreix la solubilització dels fangs, incrementant la proporció de matèria orgànica soluble respecte la matèria orgànica total del 5 % al 50 % en 9-24 h; seguit d'una progressiva generació d'AGV després de 24h. Durant la subseqüent digestió anaeròbia de fangs pre-tractats (9-48 h), s'Incrementà la producció de biogàs en un 30-40 %, treballant a 55 °C i 10 dies de TRF. El rendiment de producció de biogàs fou un 30 % superior amb fangs pre-tractats (0.28-0.30 vs. 0.22 LgVS-1) i el contingut de metà al biogàs també fou superior (69 % vs. 64 %). La digestió anaeròbia termofílica de fangs pot donar lloc a una producció neta d'energia, durant estacions fredes i càlides, si s'utilitzen reactors amb aïllament tèrmic de les parets i amb recuperació energètica a partir del biogàs i dels fangs digerits. En aquest cas, l'eficiència energètica de reactors termofílics treballant a la meitat de TRF (10-15 dies) que reactors mesofílics (20-30 dies) seria similar, per la qual cosa el cabal diari podria ser doblat, o el volum del reactor reduït, amb el conseqüent estalvi en el cost de tractament dels fangs. A més, un sistema en dues etapes (70/55 °C) produiria més energia neta que un sistema en una sola etapa (55 °C) amb un TRF de 10 dies. De totes maneres, la quantitat d'energia neta generada augmenta amb el volum del digestor donat que, malgrat la disminució en la producció de metà a TRF creixents, la producció d'energia segueix essent superior al consum, i per tant com més quantitat de fangs hi hagi al digestor, més energia es produirà.