Sistemas de eliminación de nitrógeno en digestión anaerobia pdf/20 Presentacion...
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Sistemas de eliminación de nitrógeno en digestión anaerobia
Marta Carballa, Chiara Pedizzi y Juan M. LemaGrupo de Ingeniería Ambiental y Bioprocesos
Departamento de Ingeniería QuímicaUniversidade de Santiago de Compostela
Indice
Nitrógeno en digestión anaerobia
Insuficiencia o exceso
Valores límite
Gestión de exceso de nitrógeno en digestión anaerobia
Inhibitorio
Post‐tratamiento
Conclusiones
Digestión anaerobia: carbono y nitrógeno
DQO: 100%
N: 100%
50‐60%
40‐50%
95%
CH4
NT
0,3% NO2‐ + NO3
‐ 99,7% NTK
64% NH4+35,7% NORG
NT0,3% NO2
‐ + NO3‐ 94,7% NTK
79,7% NH4+15% NORG
Fricke et al. (2007)
Insuficiencia de N en DA: C/N >30
Degradación anaerobia de proteínas NH4+
Macronutriente fundamental para el crecimiento microbiano
Alcalinidad capacidad tampón
Gerardi (2003)
Insuficiencia de N en DA: C/N > 30
Procházka et al. (2012)
Experimentos batch con glucosa a diferentes [N‐NH4+]
5 g/L
0,2 g/L
1,3 g/L
2,6 g/L
4,2 g/L
Exceso de N en DA: C/N < 20TAN: Total Ammonia Nitrogen (NH4
+ + NH3)
Cambio de pHInhibición de enzimas
Inhibición del microorganismo
Hansen et al. (1998)
‐
0,5
1,0
1,5
2,0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
NH3(g N‐NH3/L)
TAN (g N‐TAN/L)
Valores límite de TAN en DA: mesófilo
LodosEDAR Purines FORSU
‐
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
NH3(g N‐NH3L‐1 )
TAN (g N‐TAN L‐1)
LodosEDAR
Purines FORSU
Valores límite de TAN en DA: termófilo
Gestión de exceso de N en sistemas de DA
C/N<20
Inhibitorio
Pretratamientos
Ajustes proceso
Tratamientos en línea
Post‐tratamientoRecuperación
Eliminación
Gestión de exceso de N en sistemas de DA
C/N < 20Inhibitorio
Pretratamientos
Dilución del sustrato Stripping
Pretratamientos: dilución del sustrato
Hejnfelt and Angelidaki (2009)
Residuos de matadero digeridos en batch con diferentes diluciones
5%
20%50%100%
5%20%
100%50%
• Consumo de agua• Mayor producción de digestato (tratamiento posterior)• Menor productividad de biogás
Pretratamientos: stripping del sustrato
Zhang et al. (2012)
Stripping (37ºC) de purín de cerdo a diferentes pH (1 Laire/L∙min) y con diferentes caudales de aire (pH = 9)
• Consumo energético (costes de operación)• Reajuste pH (consumo reactivos, inhibición por Na)• Necesidad de añadir un nuevo equipo
Gestión de exceso de N en sistemas de DA
C/N < 20Inhibitiorio
Ajustes del proceso
T y pH Co‐digestión(C/N)
Adaptación/ Inmovilización de la biomasa
Adición de micronutrientes
Ajustes en el proceso: relación C/N y pH
Shanumugam and Horan (2009)
Residuos de la industria del cuero co‐digeridos con la parte organica de los residuos solidos urbanos
C:N = 15
• Estabilización conjunta de varios residuos• Fácil de implementar (no equipamiento adicional)• Costes bajos
Ajustes en el proceso: inmovilización biomasa
Sasaki et al. (2011)
Comparación de reactores termófilos (TRH = 10 d, VCO = 5 g DQO/L∙d) con y sin biomasa inmovilizada en fibras de carbono
La inmovilización protege a los microorganismos frente a NH3
Ajustes en el proceso: micronutrientes
Digestión anaerobia mesófila de residuos de alimentos
Banks et al. (2012)
• Mejora la fijación de nutrientes por parte de los microorganismos• Permite la aplicación de VCO más elevadas con operación estable
Gestión de exceso de N en sistemas de DA
C/N<20
Inhibitorio
Tratamientos en línea
Stripping Membranas
Tratamientos en línea: strippingProyecto europeo ManureEcoMine
Pedizzi et al. (2016)
Qaire = 1 Laire L‐1dig min‐1
T = 65°Ct = 3 h
hstrip = 50 %
Qent = 0,7 L d‐1ALCent = 7 g CaCO3 L‐1NTKent= 2,4 g N‐NTK L‐1
QR = 1,5 L d‐1
QR = 1,5 L d‐1
Qsal = 0,7 L d‐1
Vdig = 14 LTdig = 55°C
Tratamientos en línea: membranas
Lauterböck et al. (2012)
Comparación de dos reactores mesófilos tratando residuos de matadero con y sin la presencia de una membrana de contacto
Propileno (0,2 m)T = 38°C
TRH = 20 ‐ 30 d VCO = 1,5 ‐ 3 g DQO L‐1 d‐1
• Costes (membranas, productos químicos)• Formación de biofilm• Leakage de H2SO4 al digestor o de cationes al H2SO4
Gestión de exceso de N en sistemas de DA
C/N < 20
Post‐tratamiento
Estruvita Stripping Eliminación biológica
Sistemas físicos
Sistemas electroquímicos
Post‐tratamiento‐recuperación: estruvita
Tao et al. (2016)
El nitrogeno amoniacal puede precipitar como estruvita:
Post‐tratamiento‐recuperación: estruvita
Escudero et al. (2015)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Digestate(swineWW)
Digestate(swineWW)
Digestate(poultrymanure)
Leachate Digestate(WWTP)
Digestate(WWTP)
Am
mon
ium
rem
oval
eff
icie
ncy
(%)
Mg:NH4:PO4
4,3:100:1 10:100:1 1:1:1 1:1:1 1,2:1:1,2 2:58:1
Post‐tratamiento‐recuperación: stripping
Nijhuis Water Technology B.V.
Nijhuis AmmoniumRecovery (NAR) system
Post‐trat.‐eliminación: nitrificación ‐ desnitrificación
• Consumo energético (aireación)• Necesidad de DQO biodegradable
Post‐trat.‐eliminación: nitritación ‐ desnitritación
Scaglione et al. (2013)
SBR que trata la fracción líquida del digestato
procedente de un digestor anaerobio alimentado con una mezcla de purines
Post‐tratamiento‐eliminación: anammox
Nitrificación parcial Anammox Nitrificación parcial + Anammox
Post‐tratamiento‐eliminación: anammoxNombre Compañía/País Proceso Biomasa Reactor Nº plantas
ANAMMOX® PaquesHolanda
1 etapa Granular SBR 18
DEMON® Cyclar Stulz‐ARA ConsultAustria
1 etapa BOA suspensiónAnammox granular
SBR 42
OLAND Ghent UniversityBélgica
1 etapa Biofilm Biodiscos 6
ANITAMox™ Veolia 1 etapa Biofilm+suspensión MBBR+IFAS 6
PN/AA EawagSwitzerland
1 etapa suspensión SBR 5
NAS® ColsenHolanda
Multi‐etapa Suspensión Lodos activos 5
DeAmmon® PuracAlemania
1 etapa Biofilm MBBR 3
Cleargreen® DegrémontFrancia
1 etapa SBR 2
PANDA+ Aquaconsult’sAlemania
2 etapasMulti‐etapa
Suspensión Lodos activos 2
TERRANA® E&PAlemania
1 etapa2 etapas
BiofilmSuspensión
SBRLodos activos
2
ELAN® FCC Aqualia‐USCEspaña
1 etapa Granular (municipal) SBR 2
PN/AA Abengoa Water‐USCEspaña
1 etapa Granular (purines) SBR 1
Val del Río (2015). Seminario Técnico REGATA
Post‐tratamiento‐eliminación: anammox
Digestato de lodos de EDAR• Alta temperatura (> 30ºC)• Altas concentraciones de amonio• Relación C/N < 5• Alcalinidad alta
Digestatos más complejos• Salinidad• Materia orgánica no biodegradable• Contenido en sólidos
Biomasa granular
AOB
NITRIFICACIÓN PARCIALO2 NH4
+
NO2‐ N2
ANAMMOX
Parámetro Nitrificación‐desnitrificación ELAN Ahorro con
ELAN (%)
Consumo de O2 (kg O2/kg N) 3.18 1.83 42
Consumo de DQO (kg COD/kg N) 4.9 0 100
Emisiones de CO2(kg CO2/kg N) 3.52 3.26 7
Producción lodos (kg VSS/kg N) 2.11 0.12 94
Comparación estequiométrica (Vázquez‐Padín et al., 2014).
ELAN®: biomasa granular
Post‐tratamiento‐eliminación: microalgas
Alcantara et al. (2015)
• Sedimentación, recirculación e inmovilización:• Baja sedimentabilidad de la biomasa (bajo rendimiento de depuración)• Bajas velocidades de crecimiento de microalgas (volúmenes defotobioreactor)
• Baja tolerancia de microalgas a la contaminación• Emisiones de N2O
Post‐tratamiento‐eliminación: sistemas fisicos
Ledda et al. (2013)
Screw press Centrifuge UF ROZeolites
Stripping
NTK: 100%94%
5%
58%
26%
40%
15%
49%
1%
3%
33%
0,04%
Balances durante un ciclo (14 m3 digestato de purín de cerdo)
N‐Free® unit
Post‐tratamientos: sistemas electroquímicos
Virdis et al. (2008)
Post‐tratamientos: sistemas electroquímicos
Virdis et al. (2008)
Conclusiones
Es importante tener una relación C/N en digestión anaerobia adecuada
Co‐digestión
Minimizar la inhibición de nitrógeno en digestión anaerobia es fundamental para potenciar la producción de biogás
Stripping
Gestión de nitrógeno en el digestato:
Recuperación: estruvita, stripping
Eliminación biológica: nitrificación parcial + anammox/desnitritación
Agradecimientos
ManureEcoMine project is funded by the European Community’s Seventh Framework
Programme (FP7/2007-2013) under Grant Agreement n° 603744
Gracias por vuestra atención!
Smart Green Gas project financiado por el Ministerio de Economía y Competitividad-CDTI (Programa Estratégico de Consorcios de Investigación Empresarial Nacional (IDI-
20141342))