CAVITOX. Mejora de la digestión anaerobia de fangos de depuración mediante cavitación oxidativa: Mireia Fiter Cirera ainia centro tecnológico

Transcripción

1 Mejora de la digestión anaerobia de fangos de depuración mediante cavitación oxidativa: CAVITOX Mireia Fiter Cirera ainia centro tecnológico Dpto. de calidad y medio ambiente Parque Tecnológico de Valencia. C/ Benjamin Franklin E46980 Paterna (Valencia) mfiter@ainia.es Valentín García Albiach Jefe Dpto I+D medioambiente C/ Caballero Andante 8. E28021 Madrid vgarcia@isoluxcorsan.com

2 CAVITOX es un subproyecto de INTEGRAGUA INTEGRAGUA Integración de innovadoras tecnologías flexibles, compactas y modulables de alto rendimiento energético para el tratamiento de aguas. Proyecto de Investigación y Desarrollo en Cooperación cofinanciado por CDTI y FEDER a través del Programa FONDO TECNOLÓGICO (IDI ).

3 CAVITOX es un subproyecto de INTEGRAGUA OBJETIVO GENERAL de INTEGRAGUA Disponer de tecnologías polivalentes para tratamiento y regeneración de aguas residuales, que perfectamente integradas permitan un tratamiento adecuado a las nuevas expectativas de legislación y sanidad, ayudando a la reducción de emisiones y valorización del potencial energético contenido en las propias aguas

4 CAVITOX es un subproyecto de INTEGRAGUA RECURSO AGUA Tecnologías y configuraciones innovadoras de tratamiento de aguas Tecnologías innovadoras de regeneración RECURSO ENERGÍA Valorización energética de fangos Eficiencia energética CAVITOX INTEGRACIÓN GLOBAL Evaluación, síntesis tecnológica y validación de resultados

5 ÍNDICE 1. ANTECEDENTES Necesidad de abordar el proyecto CAVITOX Limitaciones de la digestión anaerobia de fangos La cavitación como pretratamiento a la digestión anaerobia Cavitación hidrodinámica Cavitación oxidativa 2. OBJETO 3. METODOLOGÍA 4. RESULTADOS ESPERADOS 5. ELEMENTOS INNOVADORES DEL PROYECTO

7 1. ANTECEDENTES Necesidad de abordar el proyecto CAVITOX (I): La cantidad generada de lodos de depuración ha experimentado un gran crecimiento en los últimos años. La tendencia en los próximos años es a continuar incrementando la generación de fangos ESTACIONES DEPURADORAS DE AGUAS RESIDUALES (EDARs) SALMUERAS RESIDUALES

8 1. ANTECEDENTES Necesidad de abordar el proyecto CAVITOX (II): Mejorar la gestión y tratamientos de los lodos de depuración es una prioridad establecida por la administración de acuerdo con el Plan Integral de Residuos ( ) del Ministerio de Medio Ambiente Resulta de interés el desarrollo de procesos que permitan reducir la cantidad de lodos de depuración con costes razonables. Tratamiento convencional: DIGESTIÓN ANAEROBIA DE FANGOS Destrucción de patógenos y estabilización Producción de energía Reducción del volumen de lodo

10 1. ANTECEDENTES Limitaciones de la digestión anaerobia de fangos DIGESTIÓN ANAEROBIA DE FANGOS (DA) La Hidrólisis es la etapa limitante Tiempos de retención muy largos (20-30 días) Eficiencia de degradación de materia orgánica (30-50 %) Desde finales de los 90 se investigan métodos para desintegrar el lodo como pretratamiento a DA

11 1. ANTECEDENTES Limitaciones de la digestión anaerobia de fangos Pretratamientos DA (métodos de desintegración de fangos) TÉRMICOS BIOLÓGICOS (hidrólisis enzimática, ) MECÁNICOS (molino de bolas, ultrasonidos, homogeneizadores de alta presión,... ) QUÍMICOS (hidrólisis alcalina, ozono, ) CAVITOX

13 1. ANTECEDENTES La cavitación como pretratamiento a DA: CONCEPTO La cavitación es un fenómeno que aparece en líquidos cuando la presión disminuye por debajo de la presión del vapor del líquido a la temperatura existente. Clasificación en función de su generación: a) Cavitación acústica b) Cavitación hidrodinámica controlada Interés a nivel académico y a nivel industrial c) Cavitación óptica d) Cavitación particulada

14 1. ANTECEDENTES La cavitación como pretratamiento a DA: CONCEPTO CAVITACIÓN ACÚSTICA Sólo la cavitación acústica (ultrasonidos) y la cavitación hidrodinámica han sido eficientes en la producción de cambios químicos y físicos en aplicaciones de proceso CAVITACIÓN HIDRODINAMICA Se provoca la lisis celular, liberando los componentes internos celulares de forma que se incrementa la materia orgánica disuelta disponible como sustrato para la digestión anaerobia, aumentando la producción de biogás

15 1. ANTECEDENTES La cavitación como pretratamiento a DA: CONCEPTO CAVITACIÓN ACÚSTICA VERSUS CAVITACIÓN HIDRODINAMICA Estado del arte más avanzado Bibliografía escasa en desintegración de lodos (escala de laboratorio) Tecnología desarrollada, equipos industriales Mejora potencial para trabajar a gran escala Menor eficiencia energética Mejora potencial de la eficiencia energética Las aplicaciones empleando la cavitación hidrodinámica controlada para pretratamiento de lodos están en vías de desarrollo

17 1. ANTECEDENTES Cavitación hidrodinámica: ETAPAS Cavitación hidrodinámica: El pulso de presión está inducido por el cambio de velocidad de un líquido en movimiento El líquido entra en tubo Venturi o placa perforada RAREFACCIÓN (Crecimiento de burbujas) RECUPERACIÓN (Implosión de burbujas) P ent v P P rec

18 1. ANTECEDENTES Cavitación hidrodinámica Cavitación hidrodinámica: ETAPAS Diseño cámara de cavitación Caudal Presión de Entrada Formación de burbujas Parámetros que controlan el pulso de presión inducida Diseño cámara de cavitación Nube de burbujas Interacción entre burbujas Burbuja singular Temperatura de burbuja Tamaño de burbuja Número de burbujas Caudal Formación de OH Termólisis Presión de Entrada Difusión de materia Difusión de calor Reacción química [ S. Arrojo y Y. Benito (2008) A theoretical study of hydrodynamic cavitation. Ultrasonics Sonochemistry 15, ]

19 1. ANTECEDENTES Cavitación hidrodinámica: ETAPAS a) ETAPA DE RAREFACCION (crecimiento de las burbujas) Altas frecuencias Intervalos de rarefacción/compresión cortos, poco tiempo para crecimiento de burbujas Burbujas más pequeñas y menos energéticas Bajas frecuencias Intervalos de rarefacción/compresión largos Burbujas más grandes y mayores temperaturas de colapso

20 1. ANTECEDENTES Cavitación hidrodinámica: Fase de implosión Cavitación hidrodinámica: ETAPAS b) ETAPA DE RECUPERACION (implosión de las burbujas) Los mecanismos de reacción en cavitación dependen principalmente de la fase de implosión de burbujas FASE LÍQUIDA: FASE GAS: Formación OH - Descomposición por termólisis de solutos volátiles e hidrofóbicos Fase gas caliente T = 5000 K Interfase líquido gas T= 2000 K Fase líquida INTERFASE LÍQUIDO-GAS Oxidación química por los OH- de sustancias no volátiles e hidrófilas Difusión de los OH- Descomposición de sustancias no volátiles e hidrófobas

21 1. ANTECEDENTES Cavitación hidrodinámica: EFECTOS DE LOS PARÁMETROS CLAVE Periodo de rarefacción (crecimiento burbujas) Periodo de recuperación (implosión burbujas) Presión de descarga Largo Corto Largo Corto Alta Baja Efectos positivos Burbujas grandes, menor umbral de cavitación Evita la excesiva formación de nube de burbujas Ninguno Colapso más violento, mayor difusión de OH - Elimina el excesivo crecimiento de burbujas, colapsos más violentos Mayor eficiencia energética Efectos negativos Excesiva densidad de nube de burbujas Burbujas menores, mayor umbral de cavitación Colapso menos violento, menor difusión de OH - Ninguno Ineficiencia energética, puede impedir la formación de burbujas si es excesivo Excesiva densidad de nube de burbujas POSIBLE DISEÑO CAVITADOR Venturi con garganta larga Placas de orificio y multi-orificio Placa de único orificio y tubo Venturi Placas de estancamiento o placas multiorificio Placas de estancamiento o mecanismos de estrangulamiento Tanque a presión atmosférica o despresurizado (adaptado de Arrojo y Benito 2008)

22 1. ANTECEDENTES Cavitación hidrodinámica: MECANISMOS DE REACCIÓN Bajas frecuencias, provoca Existen diferentes mecanismos de reacción Altas frecuencias, provoca Caso intermedio Burbujas más grandes y altas temperaturas de implosion Favorece la descomposición por termólisis de sustancias volátiles Fase gas caliente T = 5000 K Favorece descomposición de las sustancias no volátiles e hidrófobas por termólisis y oxidación con OH- Interfase líquido gas T= 2000 K Burbujas más pequeñas y rápidas Favorece la difusión de los OH y la oxidación química de sustancias no volátiles e hidrófilas Fase líquida

24 1. ANTECEDENTES Cavitación oxidativa CAVITACIÓN HIDRODINÁMICA CONTROLADA Fase gas caliente T = 5000 K Interfase líquido gas H 2 O se descompone homolíticamente generando radicales OH - T= 2000 K + Fase líquida Incrementar la generación de OH - mediante moléculas que se rompan con facilidad PROCESO DE OXIDACIÓN AVANZADA Ozono, un precursor habitual de radicales OH -

25 1. ANTECEDENTES Cavitación oxidativa CAVITACIÓN HIDRODINÁMICA CONTROLADA Fase gas caliente T = 5000 K Interfase líquido gas H 2 O se descompone homolíticamente generando radicales OH - T= 2000 K + Fase líquida PROCESO DE OXIDACIÓN AVANZADA Aumento del coeficiente de transferencia de masa del ozono por efectos mecánicos, se favorece la disolución del ozono en agua Descomposición térmica del ozono en burbujas colapsantes, generación de radicales hidroxilo: O 3 O 2 + O( 3 P) O( 3 P) + H 2 O 2HO -

26 1. ANTECEDENTES Cavitación oxidativa CAVITACIÓN HIDRODINÁMICA CONTROLADA + CAVITACIÓN OXIDATIVA Se pretende ahondar en las ventajas en términos de la eficiencia energética y mejora de rendimiento de la sinergía entre cavitación hidrodinámica controlada y procesos oxidación avanzada PROCESO DE OXIDACIÓN AVANZADA

27 1. ANTECEDENTES Cavitación oxidativa CAVITACIÓN HIDRODINÁMICA CONTROLADA + Con la CAVITACIÓN OXIDATIVA se espera: PROCESO DE OXIDACIÓN AVANZADA Potencial mejora de eficiencia energética Mejora de la capacidad para trabajar a escala real

28 1. ANTECEDENTES Cavitación oxidativa: PRETRATAMIENTO PROPUESTO CAVITACIÓN OXIDATIVA (CAVITOX) DIGESTIÓN ANAEROBIA ESPESADO CAVITACIÓN HIDRODINÁMICA DESHIDRATACIÓN LODOS DE DEPURADORA OZONO LODOS DESHIDRATADOS Destino final (aplicación a campo, vertedero, compost )

30 2. OBJETO OBJETIVO GENERAL DEL PROYECTO CAVITOX Estudiar la eficiencia de un sistema de pretratamiento de lodos biológicos de depuración basado en lisis celular mediante cavitación hidrodinámica y oxidación avanzada, con la finalidad de mejorar la producción de biogás y reducir el volumen de lodos generados después de la digestión anaerobia posterior

32 3. METODOLOGÍA Diagrama conceptual de la planta piloto Diagrama conceptual de la planta piloto Fangos Pretratados CÁMARA CAVITACIÓN Fangos Biológicos ESPESADOS bomba DIGESTIÓN ANAEROBIA DEPÓSITO DE RETENCIÓN Ozono Biogás Fango DIGERIDO

34 4. RESULTADOS ESPERADOS Mejora de la eficiencia energética de las plantas de digestión anaerobia de fangos (debido al aumento en la producción de biogás). Reducción esperable de costes finales de gestión de los fangos (debido a la reducción del volumen de lodos generados). Económicas: De operación: La escala de trabajo permite la aplicabilidad del proceso en batch o semicontínuo a nivel industrial Operatividad para los recursos técnicos y humanos de las empresas.

35 4. RESULTADOS ESPERADOS El sistema no introduce iones extraños en los fangos (si se emplea ozono como oxidante), ya que el ozono se degrada por si sólo sin dejar rastro. Reducción del volumen de fango residual deshidratado en el caso de que se destine a vertedero. Medioambientales Aumento de la producción de energía generada a partir de fuentes renovables (mediante digestión anaerobia). Se aportará una nueva solución viable a la gestión de lodos de depuración.

37 5. ELEMENTOS INNOVADORES DEL PROYECTO De carácter tecnológico: Empleo de las tecnologías de cavitación hidrodinámica como pretratamiento para la digestión anaerobia de fangos. De carácter tecnológico: Empleo de oxidantes químicos para mejorar el pretratamiento de cavitación hidrodinámica para la digestión anaerobia de fangos ELEMENTOS INNOVADORES DEL PROYECTO De planteamiento: Se pretende obtener a la vez una mejora en el rendimiento energético de la digestión anaerobia de fangos y disminuir el volumen de lodos.

38 Mejora de la digestión anaerobia de fangos MUCHAS GRACIAS POR SU ATENCIÓN! de depuración mediante cavitación oxidativa: CAVITOX Mireia Fiter Cirera ainia centro tecnológico Dpto. de calidad y medio ambiente Parque Tecnológico de Valencia. C/ Benjamin Franklin E46980 Paterna (Valencia) mfiter@ainia.es Valentín García Albiach Jefe Dpto I+D medioambiente C/ Caballero Andante 8. E28021 Madrid vgarcia@isoluxcorsan.com