Codigestión + ELAN + Precipitación de P vía estruvita para impulsar la sostenibilidad de la depuración de aguas CO- Digestión Estru vita ELAN 03 de noviembre de 2016 Departamento de Innovación y Tecnología Jose R. Vázquez Padín 1
Consumo energético en el ciclo del agua Aqualia trata 500 000 000 m 3 /año de agua residual Consumo de electricidad correspondiente: 0,5 kwh el /m 3 = 250 M kwh = 25 M El contenido de energía de un m 3 de agua residual es de 2 kwh th /m 3 El agua residual es bioenergía! 2
1. INTRODUCCIÓN LA LÍNEA DE LODOS 3
EDAR municipal convencional Entrada Pozo Gruesos Decantación Primaria Espesadores Fango Primario Biogás Gruesos Bombeo Desbaste Finos Sistema de lodos activos Anóxico Aerobio Pozo de Fangos mixtos Finos Depósito de Fangos Secundarios Desarenador Desengrasador Centrífugas de Deshidratación Costes mantenimiento en EDAR: 30% Arena Energía 30% Gestión lodos 30% Personal 10 % Mantenimiento Tambores Espesado Fango Secundario Decantación Secundaria Efluente Objetivo del proceso de digestión: - Estabilizar el lodo - Disminuir cantidad sólidos - Generar Biogás Energía Línea de agua Línea de lodos Digestor Anaerobio Post-tratamientos a considerar: - Tratamiento del efluente líquido de la digestión anaerobia - Tratamiento del biogás Lodo Deshidratado 4
EDAR municipal mejorada Pozo Gruesos Gruesos Bombeo Desbaste Finos Finos Desarenador Desengrasador Arena Entrada Sistema de lodos activos Anóxico Aerobio Efluente Decantación Primaria Espesadores Fango Primario Tambores Espesado Fango Secundario Decantación Secundaria Línea de agua Línea de lodos Biogás Pozo de Fangos mixtos Centrífugas de Deshidratación Lodo Deshidratado Digestor Anaerobio Caudal agua: 1% Carga N: 15-20% Carga P: 40-50% N: 1000 mg N L -1 P: 80 mg P L -1 Tª: 30-35 ºC 5
1. INTRODUCCIÓN LA LÍNEA DE LODOS 2. EDAR GUILLAREI CODIGESTIÓN 6
EDAR Guillarei (Tui, Pontevedra) Objetivo de la línea de fangos: - Estabilización y reducción de lodos - Mejora del balance energético de la EDAR Biogás 70% CH 4 30%CO 2 Motor 35 % Electricidad 50 % Calor 15 % Pérdidas 7
EDAR Guillarei (Tui, Pontevedra) La EDAR trata las aguas de los municipios de Mos, Porriño, Salceda de Caselas y Tui. La EDAR tiene permiso para poder tratar y co-digerir residuos orgánicos generados en dichos municipios. Volumen = 3.550 m 3 TRH digestor = 50 d Caudal de entrada EDAR 35.000 m 3 /d DQO Agua Bruta 200 mg/l Fangos digeridos generados 380 Tn/mes Producción biogás 1.700 m 3 /d Producción electricidad 2.500 kwh/d 8
Cosustratos para la EDAR de Guillarei 9
Cosustratos para la EDAR de Guillarei 10
1. INTRODUCCIÓN LA LÍNEA DE LODOS 2. EDAR GUILLAREI CODIGESTIÓN 3. EDAR GUILLAREI CODIGESTIÓN + ELAN 11
Ciclo del Nitrógeno NH 4 + Faecal matter N org Animal protein Urine Urea N 2 NO 2 - N org Vegetal protein NO 3-12
Comparación de procesos biológicos de eliminación de N Procesos O 2 consumo (kg O 2 (kg N) -1 ) DQO consumo (kg DQO (kg N) -1 ) CO 2 emisión (kg CO 2 (kg N) -1 ) Producción lodo (kg VSS (kg N) -1 ) Nitrificación-Desnitrificación 4.57 2.86 7.08 1.0-1.2 ELAN* 1.95 0 3.49 < 0.1 NH 4 + + 0.625 CH 3 COOH + 2 O 2 + HCO 3-0.5 N 2 + 3.75 H 2 O + 2.25 CO 2 NH 4+ + 0.85 O 2 + 1.11 HCO 3-0.44 N 2 + 0.11 NO 3- + 2.56 H 2 O + 1.11 CO 2 *Proceso ELAN (ELiminación Autótrofa de Nitrógeno) corresponde a la combinación Nitrificación parcial y Anammox en un único reactor 13
Cronología de la I+D+i sobre eliminación autótrofa de N 1914 Ardern y Locket publican el primer trabajo sobre lodos activos 1961-64 Se definen las características de la nitrificación y desnitrificación 1995 Mulder confirma la existencia de anammox 2001 1º planta escala industrial con anammox en Rotterdam 1923 Primera planta de lodos activos en Inglaterra 1977 Broda predice la existencia de las bacterias anammox 2014 100 plantas anammox en el mundo 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 Reactor laboratorio (1 L) 2000 Arranca la I+D sobre anammox en la USC 2004 Primer lodo anammox de la USC 2005 Nitrificación parcial y anammox en dos etapas 2006 Nitrificación parcial y anammox en una etapa 2010 Primera planta piloto ELAN Planta piloto (200 L) 2015 Primeras plantas ELAN a escala industrial 14
Patente ELAN BOA O 2 NO 2 - Anammox NH 4 + N 2 Capa Anóxica Bacteria Capa Aerobia 15
Implementación del proceso ELAN en la EDAR Guillarei AGUA BRUTA Caudal 33701 m 3 /d Concent. Carga g/m 3 kg/d DQO 234 7868 DBO 5 113 3808 NT 24 821 NH 4+ -N 17 567 AGUA TRATADA Sin ELAN Concent. Carga g/m 3 kg/d DQO 27 908 DBO 5 4 146 NT 15 517 NH 4+ -N 0.7 24 NO 3- -N 12 405 Activated sludge reactor Anoxic Aerobic AGUA TRATADA Con ELAN Concent. Carga g/m 3 kg/d DQO 27 900 DBO 5 4 135 NT 13 438 NH 4+ -N 0.7 24 NO 3- -N 10 337 Effluent Influent SOBRENADANTE DA Water line Sludge line Caudal 70 m 3 /d Concent. Carga g/m 3 kg/d NT 1115 78 NH 4+ -N 1015 71 Primary Settler Dehydrated sludge Dehydration system Sludge digester Sludge Return FANGO DESHIDRAT. Thickening tank kg/d SV 873 NT 108 Secondary Settler CODIGESTION Carga kg/d NT 30 16
Comparación Reactor Biológico/Reactor ELAN Unidades R. Biológico R. ELAN (línea agua) (línea lodos) Volumen (m 3 ) 9562 115 N desnitrificado (kg N/d) 226 67 N oxidado (kg N/d) 630 (a NO 3- ) 43 (a NO 2- ) Consumo energético kwh/kg N 2.5 1.1 Productividad lodos kg VSS/kg N 0.35 0.03 Tasa eliminación N kg N/(m 3 d) 0.02 0.6 Tasa oxidación N kg N/(m 3 d) 0.06 0.37 En el proceso ELAN no se requiere de DQO y por lo tanto ésta se podría aprovechar para generar más metano en el digestor de lodos o bien para desnitrificar más en el reactor biológico. En Galicia, la cantidad de materia orgánica disponible para desnitrificar suele ser limitada y por lo tanto el proceso ELAN es una alternativa viable para conseguir más desnitrificación. 17
Puesta en marcha ELAN a Escala Real Tasa de eliminación de N mg N/(L d) 500 400 300 200 100 0 Actividad Específica Anammox mg N/(L g SSV) 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 18
1. INTRODUCCIÓN LA LÍNEA DE LODOS 2. EDAR GUILLAREI CODIGESTIÓN 3. EDAR GUILLAREI CODIGESTIÓN + ELAN 4. EDAR GUILLAREI CODIGESTIÓN + ELAN + Recuperación de P 19
La Recuperación de Fósforo en EDAR, por qué? Fósforo: Un recurso no renovable que se puede agotar en 50 100 años P y N en aguas residuales: Causan eutrofización en los medios acuáticos receptores Precipitación descontrolada de P: causa de problemas en las depuradoras Economía circular: Recuperar nutrientes de las aguas residuales Recuperar fósforo en forma de Estruvita ESTRUVITA: NH 4 MgPO 4 6H 2 O Mineral con valor comercial como fertilizante 20
La Recuperación de Fósforo en EDAR, cómo? Precipitación de estruvita: Requiere cantidades equimolares de Mg, NH 4 y PO 4 Relación en moles necesaria Mg 2+ : NH 4+ : PO 4 3- = 1 : 1 : 1 Mg 2+ + NH 4 + + PO 4 3- + 6H 2 O = MgNH 4 PO 4 6H 2 O Se ha de añadir una fuente de Mg ya que éste es el elemento limitante y una base para subir el ph y favorecer la precipitación. Efluente DAM: Tª: 30-35 ºC ph 8 N: 1000 mg N L -1 P: 80 mg P L -1 Alk/N 1 (en moles) 21
La Recuperación de Fósforo en EDAR, dónde? Utilización de MgO como fuente de magnesio. Este compuesto cumple los dos requisitos necesarios para el proceso: aumenta el ph y aporta Mg Centrífugas de deshidratación de lodo anaerobio digerido Cristalizador de estruvita Tanque de homogeneización Decantador de estruvita REFERENCIA: EDAR GUILLAREI (TUI - PONTEVEDRA) 22
Operación de la planta de precipitación de estruvita La Recuperación de Fósforo en EDAR PO 4 3- (mg P L -1 ) Total influente Soluble influente Total efluente decantador Soluble efluente decantador 160.0 140.0 120.0 100.0 80.0 60.0 40.0 20.0 0.0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Tiempo (d) P-PO 4 3- (mg P L -1 ) Cristalizador Decantador 40.0 35.0 30.0 25.0 20.0 15.0 10.0 5.0 0.0 8.10 8.30 ph 8.50 8.70 Microanálisis SEM (Escala en mm) 23
La Recuperación de Fósforo en EDAR Costes de reactivos en el proceso de precipitación de estruvita - Precipitar el fósforo como estruvita usando Magal TC hidratado: Costo de fuente de Mg y alcalinidad (costo medio de Magal TC: 350 /t): Reactor de mezcla completa 770 /t-p precipitado Reactor cónico de dos fases 1995 /t-p precipitado - Precipitar el fósforo: Como estruvita usando MgCl 2 y NaOH ~ 4.000 /t-p precipitado Mediante procesos convencionales: sales de Al o Fe 2.000-3.000 /t-p precipitado Magal TC hidratado puede ser utilizado como fuente de Mg y alcalinidad en la precipitación de la estruvita. Precio de mercado de la estruvita oscila en el rango de 2.000-3.250 / t-p 24
La Recuperación de Fósforo en EDAR, el futuro ESTRATEGIA ELAN SEGUIDO DE PRECIPITACIÓN DE P ELAN : Elimina alcalinidad NH 4 + + 0.85 O 2 + 1.11 HCO 3-0.44 N 2 + 0.11 NO 3- + 2.56 H 2 O + 1.11 CO 2 Precipitación de P: ph óptimo: 8.5 9.0 MgO + H 2 O Mg(OH) 2 Fuente de Mg 2+ y base El incremento de ph es más sencillo tras el proceso ELAN Sobrenadante DAM Efluente ELAN Efluente Final NH 4+ 1000 mg N/L P: 80 mg P/L Alk 70 mmol/l ph 7.8 ELAN NH + 4 80 mg N/L P 80 mg P/L Alk 6 mmol/l ph 6.9 Cristalizador Estruvita NH 4+ 50 mg N/L P 10 mg P/L ph 8.5 25
La Recuperación de Fósforo en EDAR, el futuro PIONEER STP: The Potential of Innovative Technologies to Improve Sustainability of Sewage Treatment Plants ELAN Estru vita 2016 2018: Operación en la EDAR de Guillarei (Tui) 26
1. INTRODUCCIÓN LA LÍNEA DE LODOS 2. EDAR GUILLAREI CODIGESTIÓN 3. EDAR GUILLAREI CODIGESTIÓN + ELAN 4. EDAR GUILLAREI CODIGESTIÓN + ELAN + Recuperación de P 5. CONCLUSIONES 27
Conclusiones CO- Digestión Estru vita ELAN Línea de lodos EDAR Municipal Guillarei (Tui) dotada de un DA de 3.550 m 3 : - Codigestión: Mejora del balance energético de una infraestructura ya existente - ELAN (230 m 3 ): Mejora del balance energético y de calidad de agua tratada - Estruvita: Recuperación de un recurso no renovable EDAR Industrial Planta de tratamiento de Residuos Sólidos LIFE METHAMORPHOSIS LIFE14 CCM/ES/000865 28
Gracias a TODOS! 29