Proyecto Sludge4Energy, optimización del proceso de digestión anaerobia de lodos de EDAR

En los últimos años y debido a la aplicación de la Directiva 91/271/EEC, que obliga a los estados miembros a tratar adecuadamente todas las aguas residuales que entren a los colectores antes de ser vertidas al medio, muchas Estaciones Depuradoras de Aguas Residuales (EDARs) han visto incrementado el volumen de lodos generados. En algunas de ellas, como es el caso de la EDAR de Castelló de la Plana, este incremento de lodos ha supuesto una reducción en el tiempo de retención hidráulica (TRH) aplicado al digestor anaerobio. Dicha problemática técnica motivó la búsqueda de soluciones innovadoras que permitieran la operación de los digestores a TRH menores, incrementando simultáneamente la producción de biogás y la eliminación de los sólidos volátiles del proceso, de manera que se redujeran los costes asociados tanto al consumo energético como a la gestión de los lodos.

A partir de las condiciones iniciales de la EDAR de Castelló y para evitar la necesidad de invertir en sistemas y equipos adicionales, se planteó la combinación simultánea de estrategias de pre/post- tratamiento de lodo secundario con ozono y posterior digestión anaerobia en doble fase ácido-gas y de temperatura. 

El estudio experimental de este nuevo proceso avanzado de digestión anaerobia de lodos de EDAR se está llevando a cabo mediante el proyecto SLUDGE4ENERGY. Este proyecto consta de varias fases: experimentación a escala laboratorio, escala piloto semi-industrial y finalmente, a partir de los resultados obtenidos en las anteriores fases, un análisis de su viabilidad industrial. 

En este momento se están terminando las tareas correspondientes a la experimentación a escala de laboratorio, y han comenzado las pruebas a escala piloto semi-industrial. Para ello se ha construido una planta piloto que combina los procesos de digestión en doble fase y la ozonización como pretratamiento y post-tratamiento a la digestión. Esta planta se ha diseñado y construido teniendo en cuenta la EDAR donde posteriormente se quiere aplicar dicha tecnología (Castelló de la Plana), aunque la solución final pretende ser extrapolable a otras EDARs. 

En el presente artículo se describen los principales resultados obtenidos de la etapa de experimentación a escala laboratorio, así como de la planta piloto semi-industrial donde se llevarán a cabo los experimentos de demostración del proceso SLUDGE4ENERGY en los próximos meses.

INTRODUCCIÓN

La cantidad generada de lodos de depuración de las aguas residuales urbanas e industriales se ha incrementado notablemente en los últimos años, en la medida que las administraciones avanzan en el cumplimiento de los planes de saneamiento de aguas residuales urbanas, y aumenta el número de industrias que adoptan medidas correctoras para adecuar la calidad de sus vertidos a los límites impuestos por la legislación.

Este hecho ha provocado que algunas EDARs como es el caso de la EDAR de Castelló de la Plana, hayan visto sobrepasada su capacidad de tratamiento de lodos, generando una producción superior a la capacidad de diseño del digestor anaerobio. En la actualidad el sistema de digestión anaerobio esta operando con un TRH de 15 días. 

Basándose en el hecho de que la etapa limitante de la digestión anaerobia de los lodos suele ser la hidrólisis, sobre todo del lodo activo, existen distintas estrategias que permiten operar los digestores anaerobios a TRH menores, incrementando simultáneamente la producción de biogás y la eliminación de los sólidos volátiles durante el proceso de fermentación anaeróbica.

Entre las más interesantes se encuentra la operación en doble fase ácido-gas (AG), permitiendo la separación física de las etapas microbiológicas de la digestión anaerobia, y por lo tanto optimizando las condiciones ambientales para el crecimiento y actividad de cada una de las poblaciones involucradas en el proceso de la digestión anaerobia. En un primer digestor (digestor hidrolítico-acidogénico) se opera a TRH bajos (1-2 días), evitando el crecimiento de las poblaciones metanogénicas y obteniendo un efluente rico en ácidos grasos volátiles (AGV), que será introducido en el segundo digestor (digestor metanogénico), el cual opera a TRH superiores, que permitan el crecimiento y desarrollo de las poblaciones metanogénicas responsables de la transformación de los AGV en biogás (Shana et al.,2002; Song et al.,2004). Este tipo de sistemas presentan distintas configuraciones en función de la temperatura de operación de cada uno de los digestores. La operación del primer digestor en régimen de temperatura termófilo seguido de una digestión mesófila, presenta una serie de ventajas respecto otras combinaciones de temperatura. La operación del primer digestor en rango termófilo permite incrementar notablemente la concentración de AGV en el hidrolizado, y permite obtener un grado de higienización superior que en el caso de la digestión mesófila. Operar el segundo digestor en condiciones mesófilas asegura una mayor robustez frente a posibles inhibiciones y sobrecargas orgánicas (Kalago & Monteith, 2008).

La aplicación de técnicas de pretratamiento de los lodos antes del proceso de la digestión anaerobia es otra de las estrategias más interesantes para conseguir operar los digestores anaerobios a TRH menores incrementando simultáneamente la producción de biogás y la eliminación de los sólidos volátiles (Carrère et al.,2010). En relación a la lisis celular de los lodos biológicos, la ozonización es un proceso prometedor para mejorar la eficiencia de la digestión anaerobia. En estudios previos, la digestión anaerobia del lodo biológico ozonizado obtuvo mejores resultados que el lodo sin tratar en cuanto a producción específica de metano y cinética de producción (Fiter et al., 2010; Canut et al., 2011 y Ferrer et al., 2011).

La EDAR de Castelló dispone de dos digestores anaerobios de 4.200 y 1.700 m3 respectivamente. En la actualidad ambos digestores operan en paralelo en condiciones mesófilas. Además, la EDAR de Castelló dispone de una instalación de generación y distribución de ozono como medida de prevención contra las bacterias filamentosas que se generan en el proceso biológico de lodos activos existente en la instalación.

A partir de las condiciones actuales de la EDAR, y como posible solución técnica a la problemática existente del incremento de los lodos generados, se planteó la combinación de operar los digestores en dos etapas ácido (termófilo)-gas (mesófilo) y la aplicación de pre/post tratamientos de los lodos mediante ozonización. Dicha solución podría permitir operar el proceso de la digestión a TRH menores incrementando la producción de biogás y la eliminación de sólidos totales, sin necesidad de inversiones adicionales en la EDAR. 

A partir del 2009, FACSA, con la colaboración de AINIA, inició una línea de investigación para estudiar dichas técnicas (proyecto IMPIVA IMIDTF/2009/251). A partir de este proyecto, desde 2011 FACSA y AINIA realizan un proyecto de I+D+i donde se estudia la aplicación de técnicas avanzadas de digestión anaerobia, incluyendo el pre-tratamiento y/o post-tratamiento mediante ozono de los lodos y la operación en doble fase del proceso. El proyecto se denomina SLUDGE4ENERGY, tiene una duración de tres años (2011-2014), y está compuesto por distintas fases de experimentación a escala de laboratorio, piloto pre-industrial y estudio de su viabilidad industrial. 

En el presente artículo se describen los principales resultados de la primera fase del proyecto (experimentación a escala de laboratorio), así como la descripción de planta piloto pre-industrial que servirá de base para la ejecución de la segunda fase (experimentación a escala piloto pre-industrial).

ENSAYOS A ESCALA LABORATORIO

Los ensayos a escala laboratorio tienen como objetivo determinar el diseño final del sistema combinado de digestión anaerobia en dos fases junto con la ozonización de distintas corrientes del sistema. 

Los primeros ensayos experimentales se enfocan en determinar qué estrategia de ozonización presenta mejores ventajas sobre la producción de biogás y la eliminación de los sólidos totales. Se estudiaron dos estrategias: (1) la pre-ozonización y (2) la post-ozonización del lodo con una posterior recirculación al digestor (Figura 1). En ambos casos se aplicó una metodología similar, determinando primero la dosis óptima de ozono mediante ensayos batch de biometanización, y estudiando posteriormente el efecto del ozono sobre el proceso global de la digestión anaerobia, mediante ensayos en semi-continuo a escala laboratorio (Figura 2). En el ensayo semi-continuo se utilizaron dos digestores encamisados de 36L, dotados de agitación y temperatura regulada, operando en una sola etapa y en condiciones mesófilas (33ºC) a un TRH de 15 días (simulando las condiciones de operación del digestor industrial de la EDAR de Castelló). Uno de los digestores se utilizó como control (digestor control) para comparar el efecto de la pre/post ozonización de los lodos durante el proceso de la digestión anaerobia en semi-continuo en el otro digestor (digestor ensayo). El biogás se midió de forma continua para determinar su caudal y su composición (CH4, CO2, H2S, H2 y O2), y semanalmente se determinaron los parámetros analíticos de control del proceso (ácidos grasos volátiles (AGV), sólidos totales (ST), sólidos volátiles (SV), pH, relación de alcalinidad (RA), concentración de N-NH4+). Durante el ensayo también se controló la cantidad de materia total y volátil de entrada y salida en ambos digestores.

Simultáneamente a los ensayos de pre/post ozonización del lodo combinado con la digestión anaerobia en una fase en rango mesófilo, se llevó a cabo la puesta en marcha de la planta piloto de dos fases a escala laboratorio. 

A partir de los resultados obtenidos de los primeros ensayos, se diseñó el sistema de digestión anaerobia en dos etapas seleccionando la corriente más adecuada para la ozonización del lodo. En este momento se están llevando a cabo los experimentos en la planta de dos fases en combinación con ozono, con el objetivo de determinar las condiciones de operación más adecuadas en ambos digestores. Una vez se determinen serán aplicados a la planta piloto pre-industrial.

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Reportaje publicado en el Nº167 Mayo - Junio 2013

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