tecno

ambiente

4

Ozono y digestión anaerobia en doble etapaen la línea de lodos de una EDAR

Albert CANUT MONTALVÀMireia FITER CIRERABegoña RUIZ FUERTESGracia SILVESTRE TORMOTécnicos I+D Departamento de Calidad y Medio AmbienteAINIA CENTRO TECNOLÓGICOCarlos FERRER TORREGROSADirector I+DJosé Guillermo BERLANGATécnico I+DDavid CASTELLJefe ExplotaciónVicente CABRERAAdjunto a Jefe ExplotaciónMairena GARCÍAJefe de Zona ExplotacionesFACSA

Conseguido el principal objetivo de una EDAR, basado enobtener la calidad de vertido, el balance energético, juntocon el tratamiento y disposición final del lodo dedepuradora, son actualmente los principales aspectos amejorar desde un punto de vista de la explotación de unaEDAR, ya que, a medio plazo se espera que éstas, seaninstalaciones autosuficientes energéticamente. Respecto altratamiento de lodos de depuradora, la digestiónanaerobia permite la estabilización y reducción de éstos, ala vez que produce energía a partir del biogás que segenera. En los últimos años se están investigando distintosprocesos con el objeto de mejorar la ratio de producción debiogás respecto a la carga de sólidos volátiles,clasificándose éstos en tres grandes grupos:pretratamientos a la digestión anaerobia, modificacionesdel propio proceso de la digestión anaerobia ypostratamientos del lodo digerido. Este artículo pretendedescribir el conjunto del Proyecto SLUDGE4ENERGY ydefinir las tareas a realizar durante lo tres años deejecución, así como presentar los primeros resultadosobtenidos de los ensayos realizados a escala de laboratoriodel efecto del ozono y del proceso de digestión anaerobiaen doble etapa de temperatura (DA2T) sobre eltratamiento de lodos convencional.

Maqueta ART. AINIA_Texto Adasa 23/07/12 11:22 Página 4

Introducción

En la actualidad, el balanceenergético junto con el tratamientode lodos y su disposición final sonlos aspectos principales de mejoraen una EDAR, ya que, a medioplazo, se espera que éstas seanautosuficientes energéticamente.La digestión anaerobia (DA) de lo-dos permite la estabilización y re-ducción de ésto, a la vez que pro-duce energía a partir del biogásque se genera. Prácticas habitua-les producen entre 0,5-0,75 m3/kgSVin (sólidos volátiles alimentados)(Appels et al., 2008) con un con-tenido de metano alrededor del60-70% que representa entre un30-40% del consumo energéticode una EDAR. En estos momentosse investigan distintos métodospara mejorar dichos ratios: pretra-tamientos de la DA basados en lalisis celular del lodo secundario(purga biológico); modificacionesdel propio proceso de DA y, pos-tratamientos y recirculación dellodo digerido.

En relación a la lisis celular, laozonización es un proceso prome-tedor para mejorar la eficiencia de

la DA convencional (mesofílica).En estudios previos, la DA de lodobiológico ozonizado obtuvo mejo-res resultados que el lodo sin tra-tar en cuanto a producción especí-fica de metano y cinética de reac-ción (Fiter et al., 2010; Canut etal., 2011; y Ferrer et al., 2011).

El cambio de configuración deldigestor anaerobio es otra estrate-gia que permite optimizar la DAmediante el aumento del tiempode retención celular (TRC) o me-diante la separación de las etapas(fases microbiológicas) del proce-so, optimizando sus parámetrosoperacionales. El La DA2T se lle-va a cabo en dos digestores ope-rando en serie, en condiciones deoperación distintas. El primer di-gestor se opera a Tiempos de Re-sidencia Hidráulico (TRH) bajos deentre 1-2 días, para conseguir unaseparación de las etapas del pro-ceso de DA. En este primer diges-tor tiene lugar la etapa hidrolítica yacidogénica (digestor hidrolítico-acidogénico) y en el segundo di-gestor tiene lugar la metanogéne-sis (digestor metanogénico). Laseparación de las etapas posee laventaja de operar ambos digesto-

res en las condiciones de opera-ción más adecuadas para la activi-dad de las distintas poblacionesmicrobianas involucradas en elproceso (Geo et al., 2011). La pro-ducción de biogás en el primer di-gestor normalmente es menos del6% del total y suele contener me-nos del 40% en metano (Schaferet al., 2002).

Los sistemas DA2T, tambiénpresentan diversas configuracio-nes en función de la temperaturade operación de cada uno de losdigestores. El sistema en el cual eldigestor hidrolítico- acidogénico estermófilo y el digestor metanogéni-co es mesófilo, corresponde con laconfiguración más utilizada en es-tudios a escala de laboratorio,pero en sistemas a escala piloto yreal la configuración más extendi-da es la mesófila + mesófila (Geoet al., 2011; Watts et. al., 2008; Luet al., 2007; y EPA, 2006).)

La DA2T, presenta una seriede ventajas respecto a la digestiónconvencional mesófila en una solaetapa. Entre las principales venta-jas se encuentran:• mayor eliminación de sólidos

volátiles de los lodos, tecno

ambiente

5

Nuevo sistema para mejorar la eficienciaenergética de la EDAR de Castelló

Maqueta ART. AINIA_Texto Adasa 23/07/12 11:22 Página 5

Los parámetros físico-químicosde control analizados en las mues-tras de lodos secundarios, mixtos yozonizados son: DQO soluble, ST,SV, SST y SSV. Además, en los di-geridos se determinan los ÁcidosGrasos Volátiles (AGV) así comopH, Nitrógeno Amoniacal y relaciónde alcalinidades.

Resultados y discusión

A lo largo del proyecto se calcu-larán los balances de masa y ener-gía de las distintas configuraciones(tabla 1) resultantes de la combina-ción del uso de ozono como pre-tra-tamiento o post-tratamiento con laDA2T frente a la DA convencional.Los resultados que se presentancorresponden a los cinco primerosmeses de trabajo experimental aescala de laboratorio, correspon-

Las unidades de DA conven-cional mesófila (a 33 ºC) constande varios reactores CSTR alimen-tados en régimen semicontinuo de36 l de capacidad cada uno (30 lde volumen útil), con monitoriza-ción de caudal de biogás en conti-nuo mediante Ritter Milligascoun-ters® y determinación composiciónde biogás (CH4, CO2, H2, H2S yO2) mediante sensor de infrarrojosy electroquímico (analizador degas Awite). La unidad DA2T cons-ta de dos reactores de mezclacompleta de 5 y 10 l de capacidad,encamisados y con control de tem-peratura independiente y paso deflujo bidireccional entre ambos di-gestores. Tal unidad está equipa-da para obtener los mismos datosde caudal y composición de bio-gás que los digestores convencio-nales (figura 2).

• mayor producción de biogás,• reducción de olores,• mejora de la calidad higiénica

de los lodos (si existe una eta-pa termófila, y

• control y reducción de espu-mas (EPA, 2006).Además, partiendo de la base

que en términos energéticos 1 kgde H2 es equivalente a 2,4 kg deCH4 y que el lodo digerido contie-ne aún una fracción significativade SV, con la DA2T (que produceH2 en la etapa termofílica) y laozonización y recirculación dellodo digerido, se espera obtenermejores rendimientos en la reduc-ción de lodo y la producción deenergía a partir del metano gene-rado, mayoritariamente, en la se-gunda fase (metanogénesis) y delhidrógeno generado en la primera(hidrólisis).

En este artículo se presentanlos primeros resultados obtenidosa escala de laboratorio en torno alefecto de la ozonización como pre-tratamiento, así como la puesta enmarcha del piloto DA2T. Parte deestos resultados han sido presen-tados en el VI Congreso Interna-cional sobre Oxidación Avanzadade la Internacional Water Associa-tion (IWA) (Fiter et al., 2012).

Materiales y métodos

La unidad de ozonización in-cluye: reactor de 10 l de capacidadequipado con un generador deozono Air-Tree de 10 gO3/h de ca-pacidad a partir de oxígeno, unconcentrador de oxígeno modeloTOPAZ plus de AIRSEP y dosanalizadores de ozono gas en lí-nea GM-PRO (Anseros®) (figura 1).

tecno

ambiente

6

Figura 2. Arribala planta piloto

de digestiónanaerobia

convencional ensemicontínuo y a

la izquierda laplanta piloto

DA2T.

Figura 1. Imagen de la subunidad deozonización.

dientes a la configuración 1, pre-ozonización + DA (situación de lisis)comparada con la DA sin pre-ozoni-zación (situación de no-lisis, puntode control DA). Durante el tiempode experimentación (semana 1 has-ta la 8) la ratio del lodo mixto fue68/32 (primario/secundario) y 60/40a partir de la semana 9. La tempera-tura de digestión mesofílica fue de33 ºC. En estos momentos se estátrabajando en la aclimatación del di-gestor termófilo para la puesta apunto de punto del proceso DA2T y

Maqueta ART. AINIA_Texto Adasa 23/07/12 11:22 Página 6

en paralelo, se ha puesto en mar-cha la experimentación relativa a laconfiguración 2 (post-ozonizacióndel digerido y recirculación en DAconvencional).

Con objeto de evaluar el rendi-miento de las distintas configura-ciones, se han definido lo siguien-tes parámetros de control:

anaerobia con efecto del ozono(situación de lisis). Si el valor delfactor es 1, no existe diferenciaentre ambas situaciones, si el va-lor del factor es < 1 la situación deno-lisis es mejor, y si el valor delfactor > 1 la situación de lisis esmejor. En las figuras 3 y 4 se pre-sentan la evolución de los factores

El grado de solubilización delos lodos secundarios espesadosconseguido por la ozonización esmuy elevado (hasta 20 vecesmás). Con dosis de ozono aplica-do entre 0,025 y 0,08 g O3/gSSTini-

ciales (primeras 7 semanas) y ratiode mixto (68/32), los resultadosobtenidos en rendimientos de ladigestión anaerobia sin pre-O3(punto de control DA) y con pre-O3(configuración 1) no presentan di-ferencias significativas. No obstan-te, con dosis en torno a 0,1 gO3/g.SSTiniciales y ratio de mixto (60/40)se obtiene un incremento alrede-dor del 10% de volumen de biogás(semanas 7-12). Las dos últimassemanas, con dosis superiores a0,1 gO3/g SSTiniciales se obtienenresultados peores con la pre-O3.

La DA2T se llevará a cabo endos digestores anaerobios conti-nuos de tanque agitado, operandoen serie y en condiciones de ope-ración distintas. En el primero ten-drá lugar las etapas iniciales delproceso de la DA, es decir, la hi-drólisis y acidogénesis, en condi-ciones termófilas de temperatura(55 ºC) (digestor hidrolítico-acido-génico). En el segundo tendrá lu-gar, principalmente, la metanogé-nesis, y se operará en condicionesmesófilas (35 ºC) (digestor meta-nogénico). Del primer digestor seobtendrá un efluente con elevadasconcentraciones de AGV con elque se alimentará el segundo di-gestor donde se generará la ma-yor parte del biogás. El digestor hi-drolítico-acidogénico se operará aun TRH de dos días, para conse-guir separar las etapas de la DA.El digestor metanogénico se ope-

tecno

ambiente

7

Figura 3.Evolución de la solubilización del lodo secundario y mixto de la configuración 1relacionadacon la dosis de ozono empleada.

Tabla 1. Configuraciones para ensayos a escala de laboratorio combinando ozono + DAconvencional y ozono +DA2T.

Pre-O3

NO SÍ

Post-O3

NO Punto control DA Configuración 1

SÍ Configuración 2 Configuración 3

Pre-O3

NO SÍ

Post-O3

NO Punto control DA2T Configuración 4

SÍ Configuración 5 Configuración 6

1. Factor de solubilización (lodo secundario -2ario-) = (DQOs_2ario)lisis / (DQOs_L2ario)no lisis

2. Factor de solubilización (lodo mixto -M-) = (DQOs_M)lisis / (DQOs_M)no lisis

3. Factor de biodegradabilidad = (ml biogás / g SVinput)lisis / (ml biogás / g SVinput)no lisis

4. Factor de reducción de lodo = (STdigerido / STinput)lisis / (STdigerido / STinput)no lisis

5. Factor de estabilización = (SVdigerido / SVinput)lisis / (SVdigerido / SVinput)no lisis

6. Rendimiento higiénico = (reducción de coliformes fecales y totales)configuración

7. Rendimiento energético = (energía extra generada / energía requerida)configuración

El factor de solubilización serelaciona tanto con el lodo secun-dario (2ario) como con el lodo mix-to (M), los otros tres factores (bio-degradabilidad, reducción del lodoy estabilización) están relaciona-dos con el lodo mixto (alimentación–input–), y el digerido del digestoranaerobio convencional o de dobleetapa según la configuración eva-luada. Los dos últimos parámetros,rendimientos higiénico y energéti-co, se evaluarán más adelante conel objeto final de comparar las dis-tintas configuraciones. Los facto-res de biodegradabilidad, reduc-ción de lodo y estabilización permi-ten comparar el rendimiento delproceso de digestión anaerobia sinefecto del ozono (situación de no-lisis) con el proceso de digestión

de solubilización relacionados conla dosis de ozono y la evolución delos factores de biodegradabilidad,reducción del lodo y estabilizaciónde la configuración 1.

Mixto (68/32) Mixto (60/40) ) 23/8(6oxtMi Mi ) 04/0(6oxtMi

Maqueta ART. AINIA_Texto Adasa 23/07/12 11:22 Página 7

En estos momentos se estánllevando a cabo los ensayos con laconfiguración 2 y 3; en paralelo seestá trabajando en la puesta enmarcha de la DA2T para poderempezar en breve los ensayos delas configuraciones 4, 5 y 6. A me-dio plazo, los resultados que seobtengan de los ensayos experi-mentales a escala de laboratoriopermitirán: • Una primera aproximación de

la configuración más adecua-da desde una triple perspecti-va: balance de masas, energé-tico y de calidad higiénica.

• Condiciones de operación delos distintos pasos de la/s con-figuración/es óptima/s.

• Los parámetros de diseñopara la construcción de laplanta piloto en la EDAR deCastelló de la Plana.

Referencias

Appels, L.; Baeyens, J.; Degrève,J. y Dewil R. 2008. Principlesand potential of the anaerobicdigestion of waste-activatedsludge. Progress in Energyand Combustion Sciencie, 43,pp. 755-771.

Bouskova, A.; Dohanyos, M.;Schmidt, J. E. y Angelidaki, I.2005. Strategies for changingtemperature from mesophilic tothermophil ic condit ions inanaerobic CSTR reactor treat-ing sewage sludge. Water Re-search, 39, pp. 1.481-1.488.

Canut, A.; Fiter, M.; Ruiz, B.; Fe-rrer, C. y Pascual, A. 2011.Ozone disintegration on wastesludge: enhanced biogas pro-duction and energy balance inwastewater treatment plant.Proceedings of IOA IUVAWorld Congreso & Exhibition,III.2.6-1...III.2.6-4, París (Fran-ce).

EPA Unitated Sayayes Environ-mental Protect ion Agency.2006. Biosolids TechnologyFact Sheet: Multi-Stage Anae-robic Digestion. Disponible en:http://water.epa.gov/scitech/wastetech/upload/2006_10_16_mtb_multi-stage.pdf

Ferrer, C.; Berlanga, J. G.; Castell,D.; García, M.; Fiter, M.; Ca-

so es más rápido y, además, segeneran mayores cantidades deAGV en el digestor (Bouskova etal., 2005). Por otro lado, se preten-de obtener una biomasa anaerobiacon elevada capacidad hidrólitica-acidogénica y con poca biomasametanogénica. Para ello, se opera-rá el primer digestor con un TRHde dos días, disminuyéndole gra-dualmente desde 8 días. La con-centración de AGV, relación de al-calinidad, pH, SV y ST se midendos veces por semana. Cuando sellegue al TRH de dos días, se ope-rará en dichas condiciones, hastaalcanzar el estado estacionario(EE) que se considerará cuando seobtenga un perfil de AGV y elimi-naciones de SV similares, al me-nos durante 3 TRH.

Conclusiones

Según los resultados experimen-tales a escala de laboratorio de losensayos de la configuración 1, y con-siderando las condiciones específi-cas de ratios de lodo mixto (68/32 y60/40), TRH de 15 días y temperatu-ra de digestión de 33 ºC se concluye: • la pre-ozonización es efectiva

en términos de solubilizaciónde materia orgánica del lodosecundario,

• los factores de biodegradabili-dad, reducción del lodo y esta-bilización son mejores (valores> 1) con el lodo ozonizado en-tre las semanas 7 y 12, cuan-do la dosis de ozono aplicadafue en torno a los 0,1 g O3/gSSTiniciales, obteniéndose un in-cremento de producción debiogás de alrededor del 10%.

rará a un TRH de 15 días. En estemomento se está llevando a cabola puesta en marcha del procesoen dos fases (figura 5).

tecno

ambiente

8

Figura 4. Evolución de los factores de biodegradabilidad, reducción del lodo y estabilización de laconfiguración 1.

Valor de referencia r olaVVa acinreefreed

Figura 5. Imagen montaje experimental para adaptaciónbiomasa fase termófila.

El objetivo de la puesta enmarcha es la generación de unabiomasa anaerobia hidrolítica-aci-dogénica termófila. Para ello, se hapartido de un inóculo mesófilo pro-cedente de un digestor industrialde lodos de EDAR. Para convertirla biomasa termófila en mesófilaexisten dos estrategias: incremen-tar la temperatura gradualmente obien aumentar la temperatura des-de 35 hasta 55 ºC en un solo paso.En este caso se ha seleccionado lasegunda, debido a que el tiemponecesario para estabilizar el proce-

Maqueta ART. AINIA_Texto Adasa 23/07/12 11:22 Página 8

nut, A.; Ruiz, B.; Basiero, J. A.;Barnácer, I. y Martínez, J. L.2011. Pretratamiento con ozo-no de fangos en exceso a di-gestión anaerobia. Retema,septiembre-octubre, pp. 8-13.

Fiter, M.; Canut, A.; Ruiz, B.; Fe-rrer, C. y Pascual, A. 2010.Enhancement of waste slud-ge disintegration by ozonecombined w i th u l t rasoundpre-treatment. Proceedingsof IWA Conference on Sustai-nable Solutions for Small Wa-ter and Wastewater Treat-ment Systems (S2Small), Gi-rona (España).

Fiter, M.; Canut, A.; Ruiz, B.; Fe-rrer, C.; Berlanga, J. G.; Alon-so, S. y Pascual, A. 2012.Ozone and two temperature-phased anaerobic digestion toimprove sludge treatment andenergy production. Procee-

dings of 6th IWA SpecialistConference: Oxidation Tech-nologies for Water and Waste-water Treatment (AOP6), Gos-lar (Alemania).

Geo, H. Q.; Jensen, P. D. y Bats-tone, D. J. 2011. Temperaturephased anaerobic digestion in-creases apparent hydrolysisrate for waste activated slud-ge. Water Research, 45(4), pp.1.597-1.606.

Lu, J.; Gavala, H. N.; Skiadas, I.V.; Mladenovska, Z. y Ahring,B. K. 2007. Improving anaero-bic sewage sludge digestionby implementation of a hyper-thermophilic hydrolisis step.Journal of Environmental Man-agement, 88, pp. 881-889.

Schafer, P. L.; Farrell, J. B.; New-man, G. y Vandenburgh, S.2002. Proceedings of the Wa-ter Environment Federation.

WEFTEC, Session 41 throughSession 50, pp. 468-484(17)

Watts, S.; Hamilton, G. y Keller, J.2005. Two-stage thermophlic-mesophilic anaerobic digestionof waste activated sludge froma biological nutrient removalplant. Water Science andTechnology, 53, p. 149.

Agradecimientos

El Proyecto SLUDGE4ENERGY,con número de expediente IPT -2011-1669-920000, tiene una du-ración de tres años (2011-2014)y ha sido co-financiado, a tra-vés del programa INNPACTO,por el Ministerio de Economía yCompetitividad y el Fondo Eur o-peo de Desarrollo Regional (FE-DER) de la UE con 1.206.816,18€de ayuda concedida (subven-ción + préstamo). te

cno

ambiente

9

Maqueta ART. AINIA_Texto Adasa 23/07/12 11:22 Página 9