Tratamiento de Vinazas por Digestión Anaerobia. Rolando Chamy, Germán Aroca A. Escuela de Ingeniería Bioquímica P. Universidad Católica de Valparaíso

Transcripción

1 Tratamiento de Vinazas por Digestión Anaerobia Rolando Chamy, Germán Aroca A. Escuela de Ingeniería Bioquímica P. Universidad Católica de Valparaíso

2 Digestión Anaerobia Reactor UASB Caso: Diseño e implementación de un biodigestor para el tratamiento de vinazas en la industria del pisco en Chile Desulfurización de Biogas

3 Digestión n Anaerobia Proceso Proceso biológico biológico que que se se basa basa en en la la transformación transformación a través través s de de una una serie serie de de reacciones reacciones bioquímicas, bioquímicas, de de la la materia materia contaminante contaminante en en un un gas gas cuyos cuyos componentes componentes principales principales son son metano metano y dióxido dióxido de de carbono. carbono.

4 Tratamiento anaerobio MENOR velocidad de degradación de la materia orgánica MAYOR TRS MENOR producción de lodos recuperación MAS LENTA frente a una sobrecarga MEJOR adaptación a tóxicos ESTABILIDAD y facilidad de rearranque BAJA necesidad de nutrientes pequeña o NULA producción de olores MENORES volúmenes de operación (?)

5 Antecedentes Digestión anaerobia para el tratamiento de aguas residuales: gran desarrollo durante los últimos 25 años. Reactores de primera generación: TRH = TRS. Reactores de segunda generación: TRH < TRS. Existe inmovilización de la biomasa. Mayor concentración celular. Mayores velocidades de carga orgánica. UASB: reactor anaerobio de mayor éxito.

6 El proceso de digestión anaeróbica Subprocesos 1. Hidrólisis de material particulado 2. Fermentación de aminoácidos y azúcares 3. Oxidación anaeróbica de ácidos grasos y alcoholes 4. Oxidación anaeróbica de productos intermediarios 5. Producción desde acetato de CO 2 e H 2 6. Conversión de acetato a metano 7. Producción de metano por reducción de CO 2 e H 2

7 proteínas 100% DQO Partículas orgánicas carbohidratos lípidos Hidrólisis aminoácidos, azúcares ácidos grasos Fermentación Productos intermedios propionato, butirato...alcoholes Oxidación Anaerobia acetato Acetotróficas metano 100% DQO hidrógeno, CO 2 Hidrogenotróficas

8 Reactores Anaerobios Filtro Anaerobio Lecho Fluidizado Digestor Ananerobio de Película Fija Digestor UASB

9 EVOLUCION REACTORES Años 1977 Numero de reactores

10 Tipos de Reactores UASB EGSB - IC Baja Carga Lecho Fijo Lecho fluidizado

11 El Reactor UASB SEPARADOR SLG MANTO DE LODOS Reactor anaerobio de mayor aplicación. Sin partes móviles. Construcción relativamente simple. Bajo costo de inversión y operación. Flujo ascendente. Utiliza lodo granular (no se requiere de soporte para la biomasa). Es capaz de retener una alta concentración de biomasa. Se pueden aplicar altas velocidades de carga orgánica.

12 Gránulos Anaerobios Estratificación de las poblaciones microbianas en los gránulos Las poblaciones que actúan primero se ubican en la porción exterior. No observado en sustratos simples (etanol). Acidogénicas Metanogénicas hidrogenofílicas Acetogénicas Metanogénicas hidrogenofílicas Methanosaeta

13 El Reactor UASB

14 Gránulos Anaerobios Producto de un proceso de autoinmovilización. Flujo ascendente genera una presión de selección. Forma esférica, de 0.5 a 3 mm. Densidad de 1.03 a 1.08 g/ml. Alta velocidad de sedimentación, entre 20 y 50 m/h. Elevada actividad metanogénica, entre 0.5 y 2 gdqo/gssv d. Permanencia del lodo en el reactor sin pasos posteriores de separación.

15 Gránulos Anaerobios Agregación Optimiza la cooperación entre las poblaciones microbianas. Existen microcolonias de bacterias acetogénicas y metanogénicas. Se favorece la transferencia de interespecie del H 2. Gránulos balanceado Inmovilización de un consorcio

16 Gránulos Anaerobios CARBOHIDRATOS, PROTEINAS, LIPIDOS hidrólisis AZUCARES, AMINIACIDOS, PEPTIDOS fermentación de intermediarios H 2, CO 2 AGV, ALCOHOLES acetogénesis ACETATO metanogénesis hidrogenofílica CH 4, CO 2 metanogénesis acetoclástica

17 Gránulos Anaerobios Formación 1. Transporte hacia el sustrato (otras células) (movimiento browniano, flujos convectivos, sedimentación, etc.) 2. Adsorción por interacciones físicoquímicas (teoría DLVO) 3. Adhesión irreversible por interacción bacteriana (secreción de polímeros extracelulares) 4. Multiplicación de las células y desarrollo del gránulo (Methanosaeta genera una red que beneficia la agregación)

18 Gránulos Anaerobios Estratificación Genera un efecto de protección sobre las bacterias metanogénicas. Bacterias acidogénicas facultativas consumen el O 2 presente. Gránulos anaerobios como consorcio presentan gran resistencia a la presencia de O 2 disuelto, a pesar de la toxicidad de éste sobre las metanogénicas.

19 Gránulos Anaerobios Flotación Genera el lavado de los gránulos. Adhesión de burbujas de biogás. Depende del grado de hidrofobicidad. Bacterias acidogénicas: hidrofílicas. Bacterias metanogénicas y acetogénicas: hidrofóbicas. Gránulos con estratificación presentan menor tendencia a la flotación por este concepto. Entrapamiento de burbujas al interior de los gránulos. Ocurre con gránulos grandes o en el tratamiento de aguas diluidas por la generación de espacios vacíos al interior de los gránulos

20 Gránulos Anaerobios

21 Almacenamiento Gránulos Anaerobios Gránulos mantienen viabilidad por períodos prolongados de tiempo. Reactivación rápida luego de períodos de inactividad. Re-arranques rápidos. Apropiado para industrias de producción estacionaria.

22 El Reactor UASB

23 El Reactor UASB Puntos clave del diseño Sistema de distribución: debe distribuir de forma homogénea el agua residual, evitando canalizaciones y zonas muertas Separador SLG: separa y conduce el biogás, y evita la salida del lodo granular Materiales de construcción Generalmente concreto: debe revestirse para evitar corrosión (H 2 S del biogás) Reactores pequeños: fibra de vidrio u otros.

24 El Reactor UASB Parámetros de operación ph: alrededor de 7.0 Alcalinidad: α = Alc 5.75 /Alc. Total TRH: días Velocidad Superficial: Vs < m/h (depende del separador SLG y de la calidad del lodo) Velocidad de Carga Orgánica (VCO):8-20 kgdqo/m 3 d F DQO VCO = V R

25 El Reactor UASB El volumen del reactor depende de: Carga máxima diaria de DQO Carga superficial de líquido admisible (Vs) Temperatura Concentración del agua residual Composición del agua residual

26 El Reactor UASB Temporalmente (2-4 h) se puede incrementar la velocidad superficial (hasta 2m/h) si los lodos poseen buenas propiedades de sedimentación. Para lodos floculentos: Vs máxima 0.5 m/h. Si la Vs es el factor limitante y no la carga: Vs TRH = h Reactor

27 Comparación Procesos anaerobios Cont. agitado Contac. anaerobio Lecho fijo UASB Procesos aerobios Lodos Filtro activos percol. Cargas (Kg DQO/m 3 d) Cargas a esp.exp (Kg DQO/m 3 d) TRH (d) TRS(d) Temperatura (ºC) % Remoción (DQO) >8 > > > > > >

28 El Pisco Aguardiente joven producido solo en las Regiones de Copiapo y La Serena de Chile que se obtiene de la destilación de vinos genuinos originados en cepas moscateles Consumo de Pisco en Chile 2003 ~ m 3 Superficie plantada con vides ~ ha

29 PROCESO DE FABRICACIÓN DEL PISCO Escobajo Orujos Separación Maceración Prensado Decantación Flotación Envasadora Vinazas Destilación Fermentación

30 ANALISIS SECTORIAL Producción de RIL y Vinaza El Sector Pisquero Produce: RIL m 3 /d RIL 4200 m 3 /d VINAZA 390 m 3 /d VINAZA 390 m 3 /d

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32 Sistemas de Tratamiento: Alternativas Tecnologías Disponibles Procesos Biológicos Procesos Aerobios (bacterias que usan O 2 ) Procesos Anaerobios (bacterias que no usan O 2 ) Procesos Físicoquímicos

33 Proceso Aerobio Consumo de Energía 1kWh/kg DQOeliminado Agua Residual TRATAMIENTO BIOLOGICO AEROBIO Agua Tratada X cantidad de biomasa

34 Proceso Anaerobio 3 kwh/kg DQO eliminado Agua Residual TRATAMIENTO BIOLOGICO ANAEROBIO Agua Tratada Lodo anaerobio 0.2X biomasa

35 Generación de Energía Producción de Biogás Cada kg de DQO removido 300 L de metano L de biogás 2600 kcal 3 kwh

36 Vinaza: 38 gdqo/l Equivalencias 17 m 3 de biogás /m 3 vinaza 100 kwh / m 3 vinaza 25 kgdqo / ton uva procesada m 3 de biogás / ton uva proc. 70 kwh / ton uva procesada

37 Equivalencias Vinaza: 38 gdqo/l 14 kg de carbón / m 3 vinaza, o 21 kg de madera / m 3 vinaza, o 9.7 L de petróleo / m 3 vinaza 25 kg DQO / ton uva procesada 9.5 kg de carbón / ton uva procesada, o 14 kg de madera / ton uva procesada, o 6.4 L de petróleo / ton uva procesada

38 Planta Piloto Alto del Carmen

39 Determinación del tamaño de planta Estudio de circuitos de agua y minimización de efluentes Determinación de la biodegradabilidad anaerobia de la vinaza Determinación de la velocidad de carga orgánica a nivel laboratorio de un reactor UASB

40 Planta Alto del Carmen Planta piloto tipo UASB de app. 50 m 3 Revalorización integral de todos los residuos: agua tratada para uso en agricultura lodo anaerobio como bioabono

41 Planta Piloto Alto del Carmen Octubre 2000

42 Planta Piloto Alto del Carmen Octubre 2000

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45 Planta Piloto Alto del Carmen Puesta en Marcha Eficiencia de Remoción DQO VCO(Kg DQO/m 3 d) Tiempo (d)

46 Planta Piloto Alto del Carmen Operación DQO entrada DQO sa l i da Tiempo (d)

47 ph Tiempo (d) ph entrada ph salida

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52 Composición lodo anaerobio Parameter Units Results Nitrogen % 5.29 Phosphorus % 1.45 Potassium % 0.32 Calcium % 4.5 Magnesium % 0.42 Zinc ppm Manganese ppm Iron ppm Copper ppm 365 Boron ppm 8.16

53 Utilización de lodo en agricultura

54 PROYECTO LA CHIMBA Estudio de circuitos de aguas y minimización de efluentes líquidos Reactor UASB de 330 m 3 Puesta en marcha : Octubre Biogas generado es evaluado para ser utilizado como fuente de energía

55 ESQUEMA GENERAL

56 Reactor UASB La Chimba

57 Planta La Chimba

58 Planta La Chimba

59 Sistema de control de olores Biofiltro

60 Tratamiento de Biogas

61 Estudio de Cogeneración Utilización del biogás en calderas Se estiman ahorros en costos de energía de aproximadamente US$/año equivalentes a 14,8 % del gasto total anual en energía. En plantas de Sotaqui y Punitaqui este ahorro alcanza valores de 24 %

62 IMPACTO DE LOS BONOS DE CARBONO Plantas de Sotaqui y Punitaqui, Ingreso por US$ anuales por 10 años, considerando bono a 6 US$

63 POTENCIALIDAD NO ES SOLO UN SISTEMA DE TRATAMIENTO, FORMA PARTE DE UNA GESTION SUSTENTABLE GLOBAL Recurso Recurso energético Disminución n costos de energía Disminución n de emisiones Ingreso Ingreso por bonos de carbono

64 Conclusiones La digestión anaerobia ha probado ser una tecnología adecuada para el tratamiento de las aguas residuales de la industria de destilados. Una adecuada gestión permite obtener energía ya sea calórica o eléctrica. La disminución de emisiones puede generar ganancias adicionales a través del mercado de bonos de carbono a través del MDL del protocolo de Kyoto