Procesos Emergentes de Depuracion para el Aprovechamiento Energetico del Agua Residual. Frank Rogalla, Carlos Varela y Pilar Icaran

Transcripción

1 Procesos Emergentes de Depuracion para el Aprovechamiento Energetico del Agua Residual Frank Rogalla, Carlos Varela y Pilar Icaran

2 Uso de la energía en la gestión del agua: potable y residual Los remedios actuales para paliar la escasez de agua son energéticamente intensivos (y generan gases de efecto invernadero = riesgo de circulo vicioso) : Desalación (Contabilizando el pre- y post-tratamiento y bombeo) > 3 4 kwh/m 3 Reutilización con reactores de membrana 1 kwh/m 3 (sin RO) Alternativa NeWater Singapore (Lodo Activado + MF + RO): 0.8 kwh/m 3 El sector del agua en los países desarrollados consume el 3 % de la energía: Energia media utilizada en UK para tratamiento del agua: 0.7 kwh/m 3 para agua potable (fundamentalmente en bombeo) 0.8 kwh/m 3 para agua residual (0.3 kwh/m 3 en el tratamiento biológico) Página 2

3 Energia eléctrica potencial del agua residual: 0.11 kg DQO/PE/d x 0.35 m 3 CH 4 /kg DQO x 2.3 kwh/m 3 CH 4 x 365 d = 32 kwh/pe/año Página 3 Thöle D. (2006). Assessment criteria Manual Energy Audit and Recommendation of Umweltbundesamt, Ruhrverband

4 Optimización de los sistemas convencionales Sin tratamiento primario, pero con tratamiento biológico de alta carga (SRT = 12 h) para absorber fácilmente los compuestos digeribles y aumentar la producción de biogás en la digestión anaeróbica. Maximizar el rendimiento de la digestion y de la cogeneración (38 %) Optimización de la fase posterior de aireación para eliminación de nitrógeno, mediante la medida en continuo de amonio. Reducción de los retornos de amoníaco y de la energía necesaria para su eliminación mediante procesos Annamox: ahorro total de energía del 12 % Referencia: Wett B., Buchauer K. and Fimml C. (2007). Energy self-sufficiency as a feasible concept for wastewater treatment systems, Institute of Infrastructure and Environmental Engineering, University of Innsbruck, Austria. Página 4

5 Optimización de los sistemas convencionales Ejemplo en la depuradora de Strass, Austria: La planta ha pasado de ser autosuficiente en un 49 % en 1995 a serlo en un 108 % en 2005 Referencia: Wett B. (2006). Solved upscaling problems for implementing deammonification of rejection water, Water Science & Technology, Vol. 53, No. 12, pp Página 5

6 Strass, Austria: Balance de energía Página 6

7 Pre-tratamiento Anaerobio: Tecnología Sostenible? Aprovechar la energía latente del agua residual: > lo necesario para la oxidación Producir biogás en vez de consumir energía Minimizar consumo de electricidad de aeración Reducir la producción de fangos Utilizar unidades de tratamiento compactas y cerradas: UASB = Upflow Anaerobic Sludge Blanket Página 7

8 Tratamiento Convencional con Lodo Activado vs Integracion del Pre-Tratamiento Anaerobio Courtesy of Por gentileza de: PUB Singapore Biogas Disintegration of Sewage Sludge Waste sludge Influent Preliminary Treatment Primary Anaerobic Sedimentation Process Tank Activated Aerobic Polishing Sludge Effluent Effluent Thickener Biogas Digester Dewatering Sludge Disposal Página 8

9 Experiencia a gran escala en Brasil Belo Horizonte, MG: 1,700,000 PE m3/d ( primera fase) 24 modulos de 2200 m3 cada Tratamiento Secundario previsto: Lechos Bacterianos (Trickling Filters) Página 9 Courtesy of por gentileza de: Copasa

10 UASB : Referéncias a gran escala V= 48,000 m 3 Curitiba (Atuba( Sul): 24 modulos de 2000 m3 cada Campinas, SP Q = m3/d UASB + Lodos Activados + Flotacion DAF Courtesy of por gentileza de: Sanepar Courtesy of Página 10 por gentileza de: Sanasa

11 Operacion en UASB con Aguas Residuales Municipales Country Volume Temp HRT Vup FID E COD E BOD E TSS m 3 C h m/h #/m2 % % % Colombia 64 ± India * Brazil Colombia 6600 ± Brazil India India Brazil Media Página 11 Wiegant 2001 WST 44:107; Seghezzo et al 1998 Biores. Tech. 65:175; Kalogo & Vestraete World J. Micr. Biotech. 15:523; Florencio et al WST 44:71

12 Pretratamiento anaeróbico: Producción de Bio-Gas Agua residual DQO mg/l Producción teórica: 0.35 m 3 CH 4 /kg DQO eliminada 70% DQO eliminada Conversión de metano ~ 0.15 m 3 / m 3 agua residual Valor energético con motor de cogeneración: Con 35 % de rendimiento en produccion electrica 2.3 kwh el. / m 3 de metano Electricidad: 0.34 kwh/m 3 agua residual Producción sólidos: 0.15 kg TSS / COD = 90 mg/l Página 12

13 Tratamiento convencional: Comparación de la producción de biogás agua residual 300 mg DBO/l (60 g DBO/ 200 l ) Decantación primaria con eliminación del 50% de sólidos Producción: 150 mgtss/l ~ 75% sólidos volátiles (VS) Fangos biológicos en exceso 210 mg DBO/l x 0.7 mgtss/mg DBO = 150 mg/l ~ 80% VS Digestor anaeróbico Eliminación de volátiles ~ 50 % Producción de biogás: 1 m 3 /kg VS eliminados con 65 % de metano Producción específica de CH 4 : m 3 /m 3 Electricidad x 2.3 = 0.17 kwh/m 3 Sólidos residuales mg/l (de 300 mg TSS/l) Página 13

14 Reducción de la energía necesaria para aireación Energía requerida para oxidación: 1.5 kwh/kg DBO del Agua Bruta 300 mg DBO/l Demanda de Electricidad: Con Decantacion primaria (30 %): 210 mg BOD/l x 1.5 = kwh/m 3 agua Con Pre-Tratamiento Anaeróbico (60 %): 105 mg BOD/l x 1.5 = 0.16 kwh/ m 3 agua Página 14

15 Ejemplo Balance Energético (300 mg BOD/l) Parámetro Unidad Anaeróbico Convencional Producción de biogás m 3 CH4/m 3 agua + 0,15 + 0,07 Producción eléctrica kwh/m 3 + 0,34 + 0,17 Energía de oxidación kwh/m 3-0,16-0,32 Balance energético kwh/m 3 + 0,18-0,15 Producción de sólidos mg/l Página 15

16 Solubilidad del metano en el efluente Temperatura ( o C) Solubilidad del metano* (mg/l) DQO eliminada equivalente (mg/l) Nils Brown: Methane Dissolved in Wastewater Exiting UASB Reactors: Concentration Measurement and Methods for Neutralisation June 2006, Department of Energy Technology, Royal 1 Abril Institute 2009 of Technology (KTH), Stockholm, Página 16Sweden

17 Diseño de la EDAR Ajman (UAE) Submerged Aerated Filters ( SAF ) Unidad Población PE Caudal medio m 3 /d BOD/TSS Kg/d Calidad requerida del efluente: 10 mg/l de DBO y SS Página 17 Courtesy of Por gentileza de: Black & Veatch

18 EDAR Ajman: Dimensiones de los reactores Parámetro Caudal 49,073 m 3 /d Carga contaminante UASB SAF (Submerged Aerated Filters) DBF (Deep Bed Filters) 15.3 t DBO/d t TSS/d 23 m x 23 m 25 m x 4 m 12.5 m X 3 m Página 18 Courtesy of Por gentileza de: Black & Veatch

19 EDAR de Ajman: reactores UASB HRT = 9 h Carga de DBO = 0.8 kg DBO/m 3 d Página 19 Courtesy of Por gentileza de: Black & Veatch

20 EDAR Ajman: Caudal de entrada y conductividad Raw Sewage Feed Conductivity Flow ms/cm Incremento gradual del caudal - Reducción gradual de la conductividad: - buena correlación con TDS, - pero no con cloruros. Courtesy of Por gentileza de: Black & Veatch Conductivity (ms/cm) Conductivity (ms/cm) Página 20 y = x R 2 = /2/08 23/3/08 12/5/08 1/7/08 20/8/08 9/10/08 28/11/ Chloride (mg/l) y = x R 2 = TDS (mg/l) m3/d

21 UASB Ajman: Calidad del efluente UASB Effluent 500 COD TSS BOD 400 mg/l /2/08 23/3/08 12/5/08 1/7/08 20/8/08 9/10/08 Planta en operación: UASB: 3 de las 8 unidades SAF: 5 de los 6 reactores con 4 soplantes DBF: 8 de las 10 celdas con 12 h BW intervalo Courtesy of Por Gentileza de: Black & Veatch Página 21

22 EDAR Ajman Test 2008: 30 días Efluente final del 15 Julio - 15 Agosto 30 Day Acceptance Test - DBF Effluent mg/l TSS BOD /7/08 20/7/08 25/7/08 30/7/08 4/8/08 DBF Effluent 9/8/08 14/8/08 30/30 Limit 10/ COD Courtesy of - Por Gentileza de: Black & Veatch mg/l Página 22 15/7/08 20/7/08 25/7/08 30/7/08 4/8/08 9/8/08 14/8/08

23 EDAR Almeria El Bobar: Datos de Partida Parámetro Unidades Proyecto 96 Actual Extension Propuesta Caudal m 3 /d Punta m 3 /h DBO mg/l Carga DBO kg/d Página 23

24 EDAR Almería: Opciones de Fases de Construcción Página 24

25 Balance de Conversion al UASB ( m3/d) Consumo actual de electricidad por mes (0.083 c/kwh) kwh = Con UASB, bajaría el consumo de la energía de aeración a: x 0.42 x 0.4 x 1.5 = 7500 kwh/d x 30 = kwh/mes Fangos en exceso: actualmente t / mes x 25 /t = /mes El UASB generaría mas biogás: x 0.42 x 0.6 x 2 x 0.3 = 4500 m 3 /d x 30 = m 3 /mes transformado en electricidad x 2.3 kwh/m3 = kwh/mes. La energía verde según RD 661 / 2007 se venderia a /kw El beneficio del proyecto seria de: ahorro de energía: = 350 MWh/ mes x 0.11 = / mes producción de electricidad /mes 0.95 M /año Inversión de 5 m x 20 m x 20 m x 8 x 300 /m3 = 4.8 M = retorno 5 años Página 25

26 EDAR Almeria - Futuro: Areas Fuera de Servicio Página 26

27 Conclusiones Experiencia mundial de pre-tratamiento anaeróbico a gran escala en climas y condiciones similares a España Rendimientos de depuración > 60 % con producción de biogas y menos fangos residuales Auto-suficiencia energética y reducción de emisiones CO 2 A verificar Producción neta de biogás y valor de la electricidad Coste de construcción y operación en España Eliminación de nutrientes en post-tratamiento Página 27