Mejora de la digestión anaerobia de fangos de depuración ... · Mejorar la gestión y...

Valentín García Albiach

Jefe Dpto I+D medioambienteC/ Caballero Andante 8.E28021 [email protected]

Mireia Fiter Cireraainia centro tecnológico

Dpto. de calidad y medio ambienteParque Tecnológico de Valencia. C/ Benjamin Franklin 5-11.E46980 Paterna (Valencia)[email protected]

Mejora de la digestión anaerobia de fangosde depuración mediante cavitación oxidativa:

CAVITOX

Mejora de la digestión anaerobia de fangos de depuración mediante cavitación oxidativa: CAVITOX

CAVITOX es un subproyecto de INTEGRAGUA

Integración de innovadoras tecnologías flexibles, compactas y modulables de alto rendimiento energético para el tratamiento de aguas.

INTEGRAGUA

Proyecto de Investigación y Desarrollo en Cooperación cofinanciado por CDTI y

FEDER a través del Programa FONDO TECNOLÓGICO (IDI-20110731).


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

OBJETIVO GENERAL de INTEGRAGUA



RECURSO AGUA

• Tecnologías y configuraciones innovadoras de tratamiento de aguas

• Tecnologías innovadoras de regeneración

RECURSO ENERGÍA

• Valorización energética de fangos• Eficiencia energética

INTEGRACIÓN GLOBAL

• Evaluación, síntesis tecnológica y validación de resultados

CAVITOX



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


√ 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

Necesidad de abordar el proyecto CAVITOX (I):

ESTACIONES DEPURADORAS DE AGUAS RESIDUALES

(EDARs)

SALMUERAS

RESIDUALES

1. ANTECEDENTES


Mejorar la gestión y tratamientos de los lodos de depuración es una prioridad establecidapor la administración de acuerdo con el Plan Integral de Residuos (2007-2015) delMinisterio 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

Reducción del volumen de lodo

Producción de energía

Necesidad de abordar el proyecto CAVITOX (II):

1. ANTECEDENTES


ÍNDICE

1. ANTECEDENTES






2. OBJETO

3. METODOLOGÍA





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

DIGESTIÓN ANAEROBIA DE FANGOS (DA)

1. ANTECEDENTES


Pret

rata

mie

ntos

DA

(mét

odos

de

desi

nteg

raci

ón d

e fa

ngos

)

1. ANTECEDENTES

BIOLÓGICOS (hidrólisis enzimática,…)

TÉRMICOS QUÍMICOS (hidrólisis alcalina, ozono,…)

MECÁNICOS(molino de bolas, ultrasonidos,

homogeneizadores de alta presión,... )

http://www.microsludge.com/products/cell_lysis CAVITOX



ÍNDICE

1. ANTECEDENTES






2. OBJETO

3. METODOLOGÍA




La cavitación es un fenómeno que aparece en líquidos cuando la presióndisminuye por debajo de la presión del vapor del líquido a la temperaturaexistente.

1. ANTECEDENTES

La cavitación como pretratamiento a DA: CONCEPTO

Clasificación en función de su generación:

a) Cavitación acústica

b) Cavitación hidrodinámica controlada

c) Cavitación óptica

d) Cavitación particulada

Interés a nivel académico y a nivel industrial


Sólo la cavitación acústica(ultrasonidos) y la

cavitación hidrodinámicahan sido eficientes en la producción de cambios

químicos y físicos en aplicaciones de

proceso

CAVITACIÓN ACÚSTICA 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

1. ANTECEDENTES



CAVITACIÓN ACÚSTICA

CAVITACIÓN HIDRODINAMICAVERSUS

Bibliografía escasa en desintegración de lodos (escala de laboratorio)

Estado del arte más avanzado

Mejora potencial para trabajar a gran escala

Tecnología desarrollada, equipos industriales

Mejora potencial de la eficiencia energética

Menor eficiencia energética

1. ANTECEDENTES


Las aplicaciones empleando la cavitación hidrodinámica controlada para pretratamiento de lodos están en vías de desarrollo


ÍNDICE

1. ANTECEDENTES






2. OBJETO

3. METODOLOGÍA




Cavitación hidrodinámica: El pulso de presión está inducido por el cambio de velocidad deun líquido en movimiento

P Prec

El líquido entra en tubo Venturi o placa perforada

Pent v

1. ANTECEDENTES

Cavitación hidrodinámica: ETAPAS

RAREFACCIÓN(Crecimiento de

burbujas)

RECUPERACIÓN(Implosión de

burbujas)



Diseño cámara de cavitación

Caudal

Presión de Entrada

Formación de burbujas

Nube de burbujas Burbuja singular

Temperatura de burbuja

Tamaño de burbuja

Número de burbujas

Interacción entre burbujas

Formación de OHTermólisis

Difusión de materia Difusión de calor

Reacción química

Diseño cámara de cavitación

Presión de Entrada

Caudal

Parámetros que controlan el pulso de presión inducida

1. ANTECEDENTES


[ S. Arrojo y Y. Benito (2008) A theoretical study of hydrodynamic cavitation. Ultrasonics Sonochemistry 15, 203-211. ]


Altas frecuenciasIntervalos de

rarefacción/compresión cortos, poco tiempo para crecimiento de

burbujas

Burbujas más

pequeñas y menos

energéticas

Intervalos de rarefacción/compresión

largos

Bajas frecuencias

Burbujas más grandes y mayores

temperaturas de colapso

1. ANTECEDENTES

a) ETAPA DE RAREFACCION (crecimiento de las burbujas)



Cavitación hidrodinámica: Fase de implosión

Fase líquida

Fase gas caliente

Interfase líquido gasT = 5000 K

T= 2000 K

FASE GAS:

Formación OH -

Descomposición por termólisis de solutos volátiles e hidrofóbicos

INTERFASE LÍQUIDO-GAS

Difusión de los OH-Descomposición de sustancias no

volátiles e hidrófobas

FASE LÍQUIDA:

Oxidación química por los OH- de sustancias no volátiles e hidrófilas

Los mecanismos de reacción en cavitación dependen principalmente de la fase de

implosión de burbujas

1. ANTECEDENTES

b) ETAPA DE RECUPERACION (implosión de las burbujas)



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

CAVITADORVenturi 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

1. ANTECEDENTES

Cavitación hidrodinámica: EFECTOS DE LOS PARÁMETROS CLAVE

(adaptado de Arrojo y Benito 2008)


Fase líquida

Fase gas caliente

Interfase líquido gas

T = 5000 K

T= 2000 K

Existen diferentes mecanismos de

reacción

Favorece descomposición de las sustancias no

volátiles e hidrófobas por

termólisis y oxidación con OH-

Caso intermedio

1. ANTECEDENTES

Cavitación hidrodinámica: MECANISMOS DE REACCIÓN

Bajas frecuencias, provoca

Burbujas más grandes y altas temperaturas de

implosion

Favorece la descomposición por

termólisis de sustancias volátiles

Burbujas más pequeñas y

rápidas

Altas frecuencias, provoca

Favorece la difusión de los OH y la

oxidación química de sustancias no

volátiles e hidrófilas


ÍNDICE

1. ANTECEDENTES






2. OBJETO

3. METODOLOGÍA




Fase líquida

Fase gas caliente


T = 5000 K

T= 2000 K

1. ANTECEDENTES


H2O se descompone

homolíticamente generando

radicales OH-

CAVITACIÓN HIDRODINÁMICA

CONTROLADA

Ozono, un precursor habitual de radicales OH-

PROCESO DE OXIDACIÓN AVANZADA

Incrementar la generación de OH- mediante moléculas que se rompan con facilidad

+


Fase líquida

Fase gas caliente


T = 5000 K

T= 2000 K

1. ANTECEDENTES


H2O se descompone

homolíticamente generando

radicales OH-


CONTROLADA


O3 O2 + O(3P)

O(3P) + H2O 2HO-

+

• 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:


1. ANTECEDENTES



CONTROLADA


+

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

CAVITACIÓN OXIDATIVA


1. ANTECEDENTES



CONTROLADA


+

Potencial mejora de eficiencia energética

Mejora de la capacidad

para trabajar a escala real

Con la CAVITACIÓN OXIDATIVA se espera:


LODOS DE DEPURADORA

DESHIDRATACIÓNESPESADO


OZONO

DIGESTIÓN ANAEROBIA

CAVITACIÓN

OXIDATIVA

(CAVITOX)

LODOS DESHIDRATADOS

Destino final (aplicación a campo, vertedero, compost…)

1. ANTECEDENTES

Cavitación oxidativa: PRETRATAMIENTO PROPUESTO


ÍNDICE

1. ANTECEDENTES






2. OBJETO

3. METODOLOGÍA




Estudiar la eficiencia de un sistema de pretratamiento de lodos biológicos dedepuración basado en lisis celular mediante cavitación hidrodinámica yoxidación avanzada, con la finalidad de mejorar la producción de biogás yreducir el volumen de lodos generados después de la digestión anaerobiaposterior

2. OBJETO

OBJETIVO GENERAL DEL PROYECTO CAVITOX


ÍNDICE

1. ANTECEDENTES






2. OBJETO

3. METODOLOGÍA




Diagrama conceptual de la planta piloto

3. METODOLOGÍA

Diagrama conceptual de la planta piloto

bomba

CÁMARA CAVITACIÓN

DEPÓSITO DE RETENCIÓN

Ozono

Fangos Biológicos ESPESADOS DIGESTIÓN

ANAEROBIA

Fangos Pretratados

Biogás Fango DIGERIDO


ÍNDICE

1. ANTECEDENTES






2. OBJETO

3. METODOLOGÍA




Económicas:

Mejora de la eficienciaenergética de las plantas dedigestión anaerobia de fangos(debido al aumento en laproducción de biogás).

De operación:

Reducción esperable de costesfinales de gestión de losfangos (debido a la reduccióndel volumen de lodosgenerados).

La escala de trabajo permite la aplicabilidad del proceso en batch o semicontínuo a nivel

industrial

Operatividad para los recursostécnicos y humanos de lasempresas.



Medioambientales

El sistema no introduce ionesextraños en los fangos (si seemplea ozono como oxidante),ya que el ozono se degrada porsi sólo sin dejar rastro.

Reducción del volumen defango residual deshidratado enel caso de que se destine avertedero.

Aumento de la producción deenergía generada a partir defuentes renovables (mediantedigestión anaerobia).

Se aportará una nueva solución viable a la gestión de lodos de depuración.



ÍNDICE

1. ANTECEDENTES






2. OBJETO

3. METODOLOGÍA




ELEMENTOS

INNOVADORES DEL

PROYECTO

De carácter tecnológico:Empleo de las tecnologías decavitación hidrodinámica comopretratamiento para la digestiónanaerobia de fangos.

De planteamiento:Se pretende obtener a la vez unamejora en el rendimientoenergético de la digestiónanaerobia de fangos y disminuirel volumen de lodos.

De carácter tecnológico:Empleo de oxidantes químicospara mejorar el pretratamientode cavitación hidrodinámicapara la digestión anaerobia defangos


Valentín García Albiach

Jefe Dpto I+D medioambienteC/ Caballero Andante 8.E28021 [email protected]

Mireia Fiter Cireraainia centro tecnológico

Dpto. de calidad y medio ambienteParque Tecnológico de Valencia. C/ Benjamin Franklin 5-11.E46980 Paterna (Valencia)[email protected]

Mejora de la digestión anaerobia de fangosde depuración mediante cavitación oxidativa:

CAVITOX

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