Tratamiento de Vinazas por Digestión Anaerobia
Rolando Chamy, Germán Aroca A.Escuela de Ingeniería BioquímicaP. Universidad Católica de Valparaíso
• 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
Proceso biológico que se basa en la transformación a través de una serie de reacciones bioquímicas, de
la materia contaminante en un gas cuyos componentes principales son metano y dióxido de
carbono.
Proceso biolProceso biolóógicogico que se basa en la transformacique se basa en la transformacióón n a trava travéés de una serie de reacciones bioqus de una serie de reacciones bioquíímicas, de micas, de
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carbono.carbono.
Digestión AnaerobiaDigestiDigestióón Anaerobian Anaerobia
Tratamiento anaerobioTratamiento anaerobioTratamiento 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 (?)
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.
El proceso de digestiónanaeróbica
1. Hidrólisis de material particulado2. Fermentación de aminoácidos y azúcares3. Oxidación anaeróbica de ácidos grasos y alcoholes4. Oxidación anaeróbica de productos intermediarios5. Producción desde acetato de CO2 e H26. Conversión de acetato a metano7. Producción de metano por reducción de CO2 e H2
Subprocesos
Partículas orgánicas100% DQO
100% DQO
Hidr
ólis
isFe
rmen
taci
ón
Oxid
ació
nAn
aero
bia
Acetotróficas Hidrogenotróficas
carbohidratosproteínas lípidos
aminoácidos, azúcares ácidos grasos
Productos intermedios
propionato, butirato...alcoholes
hidrógeno, CO2acetato
metano
Reactores Anaerobios
Filtro Anaerobio
Digestor Ananerobio de
Película Fija
Lecho Fluidizado
Digestor UASB
EVOLUCION REACTORES
0200400600800
1000120014001600
19771982
19871992
19972002
Años
Num
ero
de re
acto
res
Tipos de Reactores
UASBEGSB - ICBaja CargaLecho FijoLecho fluidizado
El Reactor UASB
MANTO DELODOS
SEPARADORSLG
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.
Estratificación de las poblaciones microbianas en los gránulos
AcetogénicasMetanogénicas hidrogenofílicas
AcidogénicasMetanogénicas hidrogenofílicas
Methanosaeta
Las poblaciones que actúan primero se ubican en la porción exterior.
No observado en sustratos simples (etanol).
Gránulos Anaerobios
El Reactor UASB
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.Permanencia del lodo en el reactor sin pasos posteriores de separación.
⇒⇒
Gránulos Anaerobios
Agregación
Optimiza la cooperación entre las poblaciones microbianas.
Gránulos ⇒ Inmovilización de un consorcio balanceado
Gránulos ⇒ Inmovilización de un consorcio balanceado
Existen microcolonias de bacterias acetogénicas y metanogénicas.
Se favorece la transferencia de inter-especie del H2.
Gránulos Anaerobios
Gránulos Anaerobios
CARBOHIDRATOS, PROTEINAS, LIPIDOS
AZUCARES, AMINIACIDOS, PEPTIDOS
AGV, ALCOHOLES
ACETATO
CH4, CO2
H2, CO2
metanogénesisacetoclástica
metanogénesishidrogenofílica
acetogénesis
hidrólisis
fermentación de intermediarios
Formación ⇒1. Transporte hacia el sustrato (otras
células)(movimiento browniano, flujos convectivos, sedimentación, etc.)
2. Adsorción por interacciones físico-químicas(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)
Gránulos Anaerobios
Estratificación
Genera un efecto de protección sobre las bacterias metanogénicas.
Bacterias acidogénicas facultativas consumen el O2 presente.
Gránulos anaerobios como consorcio presentan gran resistencia a la presencia de O2 disuelto, a pesar de la toxicidad de éste sobre las metanogénicas.
Gránulos Anaerobios
Flotación Genera el lavado de los gránulos.
Entrapamiento de burbujas al interior 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.
Ocurre con gránulos grandes o en el tratamiento de aguas diluidas por la generación de espacios vacíos al interior de los gránulos
Gránulos Anaerobios
Gránulos Anaerobios
Almacenamiento
Gránulos mantienen viabilidad por períodos prolongados de tiempo.
Reactivación rápida luego de períodos de inactividad.
Re-arranques rápidos.⇒
Apropiado para industrias de producción estacionaria.
⇒
Gránulos Anaerobios
El Reactor UASB
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 (H2S del biogás)
Reactores pequeños: fibra de vidrio u otros.
El Reactor UASB
Parámetros de operación
pH: alrededor de 7.0
Alcalinidad: α = Alc5.75/Alc.Total
Velocidad Superficial: Vs < 1-1.5 m/h(depende del separador SLG y de la calidad del
lodo)Velocidad de Carga Orgánica (VCO):8-20
kgDQO/m3d
RVDQOFVCO ×
=
TRH: 0.5-2 días
El Reactor UASB
El volumen del reactor depende de:
Carga máxima diaria de DQO
Carga superficial de líquido admisible (Vs)
Concentración del agua residual
Composición del agua residual
Temperatura
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 = hReactor
ContacContac..anaerobioanaerobio
LechoLechofijofijo
LodosLodosactivosactivos
Cargas(Kg DQO/m3·d)Cargas a esp.exp(Kg DQO/m3·d)TRH (d)TRS(d)Temperatura(ºC)% Remoción(DQO)
2-8
0.5-10
0.2-815-835-55
>90
1-15
1-60
0.15-830-3005-35
>90
ComparaciComparacióón n
UASBUASB FiltroFiltropercolpercol..
2-10
0.5-25
0.2-420-3015-35
>90
0.5-2
1-10
1-1510-3015-25
>90
1-3
2-15
0.05-0.2>30
15-25
50-60
Procesos aerobiosProcesos aerobiosProcesos anaerobiosProcesos anaerobiosCont.Cont.
agitadoagitado
0.5-3
0.5-10
>8>8
35-55
60
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 ~ 45.000 m3
• Superficie plantada con vides ~ 9.800 ha
Prensado
Decantación
SeparaciónMaceración
EnvasadoraFermentación
Escobajo Orujos
Destilación
Flotación
PROCESO DE FABRICACIÓN DEL PISCO
Vinazas
ANALISIS SECTORIALANALISIS SECTORIALProducción de RIL y Vinaza
El Sector Pisquero Produce:
RIL 4200 m3/d VINAZA 390 m3/d
RIL 4. 200 m3/d
VINAZA 390 m3/d
Sistemas de Tratamiento: Alternativas Sistemas de Tratamiento: Alternativas
Tecnologías Disponibles
ProcesosBiológicos
ProcesosFísico-
químicos
ProcesosAerobios(bacterias que usan O2)
Procesos Anaerobios(bacterias que no usan O2)
Proceso Aerobio
TRATAMIENTOBIOLOGICO AEROBIO
AguaResidual
AguaTratada
X cantidad debiomasa
Consumo de Energía1kWh/kg DQOeliminado
TRATAMIENTO BIOLOGICO ANAEROBIO
Agua Residual
Agua Tratada
Lodo anaerobio0.2X biomasa
3 kWh/kg DQO eliminado
Proceso Anaerobio
Cada kg de DQO removido
300 L de metano≈ 400-500 L de biogás
2600 kcal3 kWh
Generación de EnergíaProducción de Biogás
Vinaza: 38 gDQO/L17 m3 de biogás /m3 vinaza100 kWh / m3 vinaza
25 kgDQO / ton uva procesada11250 m3 de biogás / ton uva proc.70 kWh / ton uva procesada
Equivalencias
Vinaza: 38 gDQO/L14 kg de carbón / m3 vinaza, o21 kg de madera / m3 vinaza, o9.7 L de petróleo / m3 vinaza
25 kg DQO / ton uva procesada
9.5 kg de carbón / ton uva procesada, o14 kg de madera / ton uva procesada, o6.4 L de petróleo / ton uva procesada
Equivalencias
Planta Piloto Alto del Carmen
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
Planta Alto del Carmen
• Planta piloto tipo UASB de app. 50 m3
• Revalorización integral de todos los residuos:• agua tratada para uso en agricultura• lodo anaerobio como bioabono
Planta Piloto Alto del CarmenOctubre 2000
Planta Piloto Alto del CarmenOctubre 2000
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
0 20 40 60 80 100 120 140 160
Tiempo (d)
Efic
ienc
ia d
e R
emoc
ión
DQ
O
0
2
4
6
8
10
12
14
16
VC
O(K
g D
QO
/m3 d)
Planta Piloto Alto del CarmenPuesta en Marcha
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
40000
45000
50000
12 37 62 87 112 137Tiempo (d)
DQO e nt r a da
DQO sa l i da
Planta Piloto Alto del CarmenOperación
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
8.00
9.00
12 32 52 72 92 112 132Tiempo (d)
pH
pH entrada pH salida
Parameter Units Results Nitrogen % 5.29 Phosphorus % 1.45 Potassium % 0.32 Calcium % 4.5 Magnesium % 0.42 Zinc ppm 293.8 Manganese ppm 182.5 Iron ppm 13031 Copper ppm 365 Boron ppm 8.16
Composición lodo anaerobio
Utilización de lodo en agriculturaUtilización de lodo en agricultura
PROYECTO LA CHIMBAPROYECTO LA CHIMBA
•Estudio de circuitos de aguas y minimización de efluentes líquidos
•Reactor UASB de 330 m3
•Puesta en marcha : Octubre 2004.
•Biogas generado es evaluado para ser utilizado como fuente de energía
ESQUEMA GENERAL
Reactor UASB La Chimba
Planta La Chimba
Planta La Chimba
Sistema de control de oloresBiofiltro
Tratamiento de Biogas
Se estiman ahorros en costos de energía de aproximadamente 180.000 US$/año equivalentes a 14,8 % del gasto total anual en energía.
Estudio de Cogeneración
En plantas de Sotaqui y Punitaqui este ahorro alcanza valores de 24 %
Utilización del biogás en calderas
Ingreso por US$ 180.000 anuales por 10 años, considerando bono a 6 US$
Plantas de Sotaqui y Punitaqui,
IMPACTO DE LOS BONOS DE CARBONO
POTENCIALIDADPOTENCIALIDAD
NO ES SOLO UN SISTEMA DE TRATAMIENTO, FORMA PARTE DE UNA GESTION SUSTENTABLE GLOBAL
••Recurso energRecurso energééticotico••DisminuciDisminucióón costos de energn costos de energííaa
••DisminuciDisminucióón de emisionesn de emisiones••Ingreso por bonos de carbonoIngreso por bonos de carbono
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
Conclusiones
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