Criterios y Parámetros de Diseño para Reactores UASB

Transcripción

1 Criterios y Parámetros de Diseño para Reactores UASB

2 Reactor UASB (UpFlowAnaerobic Sludge Bed) BIOGÁS SALIDA ENTRADA manto de lodos UASB

3 BIOMASA

4 Principios de funcionamiento del reactor UASB Las características del flujo ascendente deben asegurar el máximo contacto entre biomasa y sustrato Se deben evitar cortocircuitos El sistema de separación de las tres fases debe estar adecuadamente diseñado El lodo debe estar bien adaptado, con alta AME(actividad de los microorg metanogénicos) y excelentes condiciones de sedimentabilidad

5 Principios de funcionamiento del reactor UASB La fase líquida en el UASB se comporta como un RCA El crecimiento de microorganismos debe purgarse para mantener la concentración de los mismos en el reactor

6 De acuerdo a su concepción el reactor UASB funciona como: Separador de fases: Gas, Sólido Líquido Para conseguir esto además del diseño adecuado de la zona de sedimentación, el sistema recolector de gas y el de líquido se manejan alturas mínimas de reactor que de no cumplirse comprometen el buen funcionamiento.

7 Carga orgánica volumétrica: C B v = V q Donde: B v = carga orgánica volumétrica (kg DQO/m 3 d) C = concentración (kg DQO/m 3 ) q = caudal volumétrico (m 3 /d) V r = Volumen del reactor (m 3 )

8 Carga orgánica volumétrica y específica Carga orgánica por unidad de volumen de reactor: KgDQO/m 3 d Carga orgánica por unidad de biomasa: KgDQO/KgSSVd

9 Cuando se tratan efluentes de concentración media a alta, el factor limitante para el diseño del reactor puede ser la carga orgánica aplicada a la biomasa. Cuando se tratan efluentes de concentración media baja, el factor limitante para el diseño puede ser la velocidad ascensional ej: aguas cloacales

10 Velocidades ascensionales en el cuerpo del reactor: 1 m/h en la zona de sedimentación de lodo (separador de fases): 3 5 m/h

11 v lineal H/D carga UASB m/h kgdqo/m3d EGSB m/h kgdqo/m3d IC inf m/h kgdqo/m3d sup. 4-8 m/h

12 REACTOR PILOTO

13 REACTOR PILOTO

14 Tratamiento de efluente de maltería: reactor a escala real

15 SELECCIÓN DE LA TECNOLOGÍA DE TRATAMIENTO EN BASE A INDICADORES ECONÓMICOS, ENERGÉTICOS Y AMBIENTALES INDICADORES DE SOSTENIBILIDAD (Unidades seleccionadas para la expresión de los indicadores) INDICADORES M. AMBIENTALES Terreno ocupado Lodo producido Emisiones de CO 2 Energía consumida Biogás producido INDICADORES ECONÓMICOS Costo total Costo fijo Costo de operación Valor añadido

16 OPCIÓN 1 Tratamiento de efluentes de maltería LODOS ACTIVADOS UASB lodos lodos OPCIÓN 2 LODOS ACTIVADOS lodos

17 indicadores ambientales 2,00 1,50 1,00 0,50 superficie (m2/(m3/d)) lodo (kgst/m3) CO2 (tco2/(10^3m3)) 0,00 1 2

18 indicadores energéticos 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00-1,00-2,00 energía gastada (kwh/m3) energía producida (kwh/m3) energía neta (kwh/m3) -3,00-4,00 1 2

19 indicadores económicos 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0, costo de inversión (U$S/m3) costo de operación (U$S/m3) costo total (U$S/m3)

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21 Liquid collecting channel

22 Pipes near the bo

23 Pipes at the bottom and sludge purge

24 Flow distributor

25 Flow distributor

26 Tratamiento de efluente de maltería: reactor a escala real MOSA

27 Eficiencia de remoción mayor al 80% Producción de biogás 300 m 3 /d, con un promedio de 77% de metano.

28 Arranque de reactores El reactor se inoculó con lodo de una laguna anaerobia. La selección se realizó tomando en cuenta la calidad de los lodos y la distancia a recorrer. Luego de la inoculación se realizó una estartegia de arranque con aumento progresivo de la carga aplicada, hasta llegar a la carga de diseño.

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30 Ej.: efluente maltería Q, T, gas Q(m3/h) 0 T(ºC) gas (m3/h) tiempo (d) ph ph

31 Industria láctea; caso COLEME

32 Planta de tratamiento preexistente Una grasera de 5m3 + Dos tanques de 40m3 diseñados como Reactores UASB

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35 EL PROBLEMA La grasera prácticamente no removía grasa porque la mayor parte de ella está emulsionada. La experiencia internacional indica que los reactores UASB no son adecuados para efluentes con alto contenido de grasas.

36 Causas de falla de los UASB con alto contenido de grasa Acumulación de grasa bajo la campana de captación de gas. Inhibición por adsorción de grasas y AGCL en el lodo. Escape de lodos del reactor por carácter disperso e hidrofóbico

37 Solución implementada en 1ªetapa Construcción de un tanque pulmón. Instalación de un sedimentador externo para reducir el escape de lodos. Instalación de un sistema de extracción para la grasa que se flota. Disposición de la grasa flotada en el terreno previa mezcla con cenizas. Instalación de campanas para extraer el biogás, cuantificarlo y aprovecharlo para calefaccionar el efluente. Alimentación de los reactores en forma alternada para promover la adaptación-selección del inóculo.

38 Por qué alimentación alternada? Alimentando en forma intermitente: Se adsorben grasas y AGCL durante la fase de alimentación mientras se consumen los compuestos de rápida biodegradación. Luego, sin alimentación se consumen las grasas y AGCL adsorbidos. En este proceso se seleccionan y adaptan las poblaciones microbianas más aptas para degradar grasas.

39 Nuevo lay-out Influent BUFFER TANK FAT TRAP R1 Floated material Recirculation Digestate Recirculation Sludge FEED BOX LAMELLA SETTLER Effluent DIGESTER FAT TRAP Floated material R2

40 Tanque pulmón

41 Industria láctea; caso COLEME COLEM E

42 Sistema de extracción de grasas y captación de biogás

43 Sedimentador externo

44 Segunda etapa de operación Pasaje a alimentación continua Puesta en funcionamiento de un digestor para tratar la grasa flotada Condiciones de operación del digestor: Alimentación: Una vez al día Agitación por bombeo Calentado utilizando el biogás producido (32ºC <T< 42ºC) La descarga del digestor es devuelta a los reactores

45 Operación con alimentación continua OLR R1 OLR R2 DQO efficiency 6,0 100% Carga Orgánica (kgcod/m3d) 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0 80% 60% 40% 20% 0% Eficiencia Tiempo (días) Carga orgánica media 2.8kg COD/(m3.d) Valor máximo: 5.5kg COD/(m3.d) Eficiencia de remoción de DQO = 93% TRH= 17hs Producción de biogás: 0.5 ta 1.4 m3/d por m 3 de reactor con 80% de CH4. Temperatura entre 20 y 30º C

46 Evolución del manto de lodos Concentración de lodos en los Reactores SSV (g/l) 35,0 30,0 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 SSV R1 SSV R Tiempo (d) La concentración del lodo floculento era alrededor de 10g VSS/L. El sedimentador de placas y el digestor ayudaban a mantener la concentración de lodos en el reactor. La granulación ocurrió en los dos reactores entre los días 350 y 400. Luego de la granulación,la concentración de SSV se estabilizaron en valores entre 25 y 32 g/l.

47 PROCESO DE GRANULACIÓN DEL LODO FLOCULENTO GRANULOS INCIPIENTES El IVL bajó: 37mL/g al inicio 18mL/g día mL/g en el día 380 GRANULAR

48 Digestor de grasa 70% de remoción de Sólidos

49 Digestor de grasas REM SV REM G&A Tmín Tmáx 100% 45 eficiencia 80% 60% 40% 20% Temperatura (ºC) 0% 30-nov 20-dic 09-ene 29-ene 18-feb 09-mar 29-mar 18-abr fecha 25 DIGESTOR DE LODOS FLOTADOS (mayoritariamente grasa): Carga orgánica: 3.8 kg VS/(m3.d) TRH: 35 to 40 days Concentración de alimentación: 140 kg TS/m3 Eficiencia: >80% en G&A y >70% en SV Producción de biogás: 0.5 a 2.0 m3/d por m 3 de reactor ( 77% CH4)

50 Conclusiones 1. Cargas de hasta 5.5 kgdqo/(m3.d) o más y con eficiencia de REMOCIÓN SUPERIOR al 90% en DQOs, alcanzando los parámetros de vertido a colector 2. Luego de un período de adaptación-selección con alimentación alternada, se puede pasar a alimentación continua sin perder eficiencia de remoción. 3. El sedimentador de placas y el digestor permitieron mantener el lodo en el sistema mientras este no granuló. 4. LAS GRASAS FLOTADAS SE DIGIRIERON CON ALTA EFICIENCIA en un digestor de alta carga y esto eliminó la necesidad de disponer lodos fuera del sistema. 5. EL COSTO DE OPERACIÓN DEL SISTEMA ES MÍNIMO: Costo de productos químicos: 0,00$ Costo de energía para aireación: 0,00

51 Tratamiento de efluente lácteo biogas sedimentador Intercambiador de calor Tanque pulmón Reactor anaerobico A riego o pulimiento final o colector Digestor de flotantes (Grasa flotada)

52 Tratamiento de efluente lácteo CONAPROLE SAN RAMÓN

53 Traslado del Reactor (Fibra de vidrio)

54 FAROLUR Tratamiento de efluente lácteo

55 Tratamiento de residuos sólidos

56 Difference with wastewater treatment : same HRT and BRT Una de las mayores diferencias entre el tratamiento de residuos líquidos y sólidos, es la imposiblidad de separar la materia orgánica de los microorganismos en el último caso. En los sistemas de tratamiento de líquidos, el gran desarrollo se dio cuando se pudo separar el TRH del TRB. En el tratamiento de sólidos esto no es posible y debido a ello, los sólidos requieren un TRH mucho mayor, lo que implica volumenes mayores. Como el TRH y TRB debe ser igual, se requieren TRH de entre 20 y 60 días, entre otras cosas para evitar el lavado de la biomasa. Co-digestión: mejora el desempeño del reactor Los reactores son del tipo RCAI o RTFP

57 Principales residuos generados en Uruguay* Industria láctea Frigoríficos Industria pesquera Residuos animales (feed lots, vacas, cerdos, pollos) Producción de bioetanol Lodo de plantas aerobias RSU Residuos Agroindustriales * Relevamiento nacional, BIOPROA 2013

58 PRINCIPALES PLANTAS AGROINDUSTRIALES Otros establecimientos relevantes: Bodegas, Tambos, Criaderos de cerdos,

59 CODIGESTIÓN DE RESIDUOS AGROINDUSTRIALES INIA_FPTA Co-digestión de grasa de trinchado, lodo de aceitera y contenido ruminal. Resultados a escala de piloto: 50 % de reducción de SV 2 m3 de biogás por día y por m3 de reactor.

60 Reactor en operación

61 Suelo 1: rico en P y pobre en MO Moha: Testigo (izq) y dosis alta de lodo (derecha) Suelo 2: pobre en P y rico en MO Moha: Testigo (izq), dosis media de lodo (centro) y dosis alta de lodo (derecha) El residuo tratado fue sometido a ensayos agronómicos para estudiar su aplicación como bioabono. Los resultados fueron similares a los de la aplicación de un fertilizante químico

62 Contenido Ruminal Digestión Húmeda OLECA R Estabilización del residuo Producción de biogás Proyección sobre los volúmenes del Frigorífico Pul: Volumen del reactor: 800m3 Producción de metano: 560m 3 /día

63 MUCHAS GRACIAS!!!