Procedimiento y planta para la digestión anaerobia termofílica-mesofílica secuencial de lodos mixtos de depuradora.

La invención consiste en una planta diseñada para llevar a cabo tratamientos de digestión anaerobia termofílica (55°C)-mesofílica (35ºC) secuencial de lodos mixtos (lodos primarios más secundarios) generados durante la depuración de aguas residuales urbanas para la estabilización de los lodos,

así como el correspondiente procedimiento de operación.

La planta consta de dos reactores, operando en régimen termofílico y mesofílico, respectivamente. El reactor termofílico se alimenta con una mezcla de lodos primarios y secundarios de EDAR (estación depuradora de aguas residuales), en una proporción 1:1 aproximadamente. El efluente obtenido tras la digestión termofílica se emplea como sustrato del reactor mesofílico. El efluente final del proceso es el extraído del reactor mesofílico.

PROCEDIMIENTO Y PLANTA PARA LA DIGESTION ANAEROBIA TERMOFILlCA-MESOFILlCA SECUENCIAL DE LODOS MIXTOS DE DEPURADORA

SECTOR DE LA TÉCNICA.

La presente invención se encuadra dentro de los procesos de tratamiento biológico de los lodos generados en la decantación primaria y secundaria (Iodos mixtos) de la depuración de las aguas residuales urbanas mediante la tecnología de digestión anaerobia o biometanización en fases detemperatura termofílica-mesofílica secuencial.

ESTADO DE LA TÉCNICA ANTERIOR A LA FECHA DE PRESENTACiÓN.

El principal problema que plantean los lodos deriva de su elevado contenido en materia orgánica, que puede suponer entre el 40 % y el 80 % del peso seco, dependiendo del tipo y extensión del tratamiento empleado. La fracción orgánica es una mezcla de grasas, proteínas, carbohidratos, lignina, aminoácidos, material húmico, ácidos grasos y microorganismos, vivos y muertos. La mayor carga orgánica de los lodos procedentes del tratamiento de las aguas domesticas es de origen fecal fundamentalmente, por lo que tiende a descomponerse; de ahí la importancia de someterlos a tratamientos de estabilización y la necesidad de establecer normas reguladoras y pautas a seguir para una adecuada evacuación final.

Esta creciente y continua generación de lodos requiere de estrategias de tratamiento y gestión bien definidas y altamente eficientes. Por ello se han de considerar siempre como un subproducto susceptible de ser valorizado, tanto desde un punto de vista energético como agronómico.

Siguiendo el principio de prevención de la contaminación, la jerarquía de actuación en materia de gestión de lodos pasa por reducir su generación, seguida por su reciclaje y valorización con recuperación energética. Es por ello que el uso agrícola de los mismos es la alternativa más plausible, pues implica el concepto de reciclaje al considerar los biosólidos como una materia prima con valor económico. Ello, unido al actual problema existente en la agricultura en relación con el drástico descenso de materia orgánica de los suelos españoles, principalmente en las regiones del sur, hace que la aplicación agrícola se esté convirtiendo en una práctica habitual. Sin embargo, la aplicación agrícola es una práctica con grandes restricciones, encuadrada dentro de un amplio marco legal. Los riesgos asociados a la utilización de los lodos en agricultura, una vez estabilizados, están relacionados, principalmente, con la presencia de microorganismos patógenos de origen fecal como coliformes (Lang, N.L., Smith. SR., 2008. Time and temperature inactivation kinetics of enteric bacteria relevant to sewage sludge treatment processes for agricultural use. Water Res. 42, 2229-2241; Forster, T., Riau, V., Pérez, M., 2010. Mesophilic anaerobic digestion of sewage sludge to obtain class B biosolids: Microbiological methods development. Biomass Bioenerg. 34 (12) , 1805-1812; Pritchard, D.L., Penney, N., McLaughlin, M.J., Rigby, H., Schwarz, K., 2010. Land application of sewage sludge (biosolids) in Australia: risks to the environment and food crops. Water Sci. Technol. 62 (1) , 4857) , SalmoneJla (Forster et al., 2010) , y/o huevos de helminto (Jiménez, B., 2007. Helminth ova control in sludge: A re vie w. Water Sci. Technol. 56 (9) , 147-155; Navarro, l., Jiménez, B., Cifuentes, E., Lucariol, S., 2008. A quantitative microbial risk assessment of helminth ova in reusing sludge for agricultural production in developing countries. WIT Transactions on Information and Communication Technologies 39, 65-74) ; algunos de los cuales se encuentran en altas cantidades.

Las tecnologías tradicionalmente implantadas en las EDARs españolas para la estabilización de los lodos, como la digestión aerobia y la digestión anaerobia mesofílica (35 oC) , no son, en ocasiones, lo suficientemente eficaces. Así, los biosólidos derivados de estos procesos no cumplen, en muchos casos, los requisitos mínimos para su reciclaje y reutilización, al suponer un riesgo para la salud de los animales, las personas y del medio ambiente en general.

El desarrollo de tecnologías que permitan reducir la cantidad de lodos generados y producir un producto altamente higienizado, es una opción más que interesante. Si además se consigue mediante este tratamiento valorizar el residuo, se habrá conseguido dar un paso más hacia la gestión eficiente y sostenible de los lodos de EDAR. Se hacen por tanto necesarios estudios de viabilidad para la implantación de nuevos procesos más eficaces y capaces, no solo de minimizar los costes de operación y gestión, sino también de producir beneficios tanto económicos como medioambientales.

La digestión anaerobia en fases de temperatura de los lodos de EDAR va mas allá de un proceso anaerobio convencional, respecto al cual ha demostrado múltiples ventajas. Sin embargo, se trata de un concepto nuevo y requiere de estudios completos que permitan determinar las condiciones optimas de operación. Por otro lado, con el fin de valorizar agronómicamente el residuo, se debe estudiar con detalle su influencia sobre los parámetros más relevantes como las concentraciones de metales pesados y de microorganismos patógenos, entre otros.

Por otro lado, la aplicabilidad industrial del proceso necesita de estudios previos a escala de planta piloto que permitan reproducir, lo más fielmente posible, las condiciones de operación de los digestores anaerobios industriales. De esta manera se podría predecir la viabilidad de la implantación del proceso a escala real e incluso obtener, realizando un estudio económico minucioso, una aproximación de los costes y beneficios a corto y largo plazo.

Dentro de los procesos anaerobios, la digestión anaerobia mesofílica (35 oC) es la opción más ampliamente extendida a nivel industrial para la estabilización de los lodos de depuradora. Este proceso requiere usualmente de TRS superiores a 20 dias para estabilizar el lodo (De La Rubia, MA., Perez, M, Romero, L.I., Sales, D., 2002. Anaerobic Mesophilic and Thermophilic Municipal Sludge Digestion. Chem. Biochem. Eng. Q. 16 (3) , 119-124; Song, Y., Kwon, S., Woo, J., 2004. Mesophilic and thermophilic temperature co-phase anaerobic digestion compared with single-stage mesophilic and thermophilic digestion of sewage sludge. Water Res. 38, 16531662) . Aun asi, 20 dias son, en ocasiones, insuficientes para una reducción efectiva de la materia orgánica y/o la desactivación de organismos patógenos. Para superar estas limitaciones surge la digestión anaerobia termofílica (55 oC) , que aprovecha las altas temperaturas y las altas tasas metabólicas de los microorganismos termofílicos (Kobayashi, T., Li, Y. Y., Harada, H., 2008. Analysis of mícrobíal communíty structure and díversity in the thermophilic anaerobic digestion of waste activated sludge. Water Sei. Technol. 57 (8) , 1199 -1205) . Estos microorganismos son capaces de operar a bajos TRS, tratando altas cargas orgánicas y presentando elevadas tasas de crecimiento especifico en comparación con sus homólogos mesofílicos (Zinder, S.H., Anguish, T., Cardwelf, S.e., 1984. Effects of temperature on methanogenesis in a thermophilie anaerobíc dígester. Appl. Environ. Microbiol. 47 (4) , 808-813; Harris W.L., Dague R.R., 1993. Comparative performance of anaerobíc filters at mesophilic and thermophilic temperatures; De La Rubia, MA., Pérez, M, Romero, L.I., Sales, D., 2006. Effeet of solids retention time (SRT) on pilot scale anaerobic thermophilic sludge digestion. Proeess Biochem. 41, 79-86) . Lo anterior tiene como resultado un incremento del potencial metanogénico y la posibilidad de disminuir el tamaño del reactor.

Aunque de manera general se obtienen mayores rendimientos en la eliminación de sólidos volátiles y en la desactivación de organismos patógenos con el proceso termofílico, la calidad, en términos de concentración de ácidos grasos volátiles (AGV) y la capacidad de deshidratación de los lodos residuales son menores que en el tratamiento mesofílico. Además, se requiere de energía adicional para el calentamiento...

1. Procedimiento para la digestión anaeróbia termofílica-mesofílica secuencial de lodos de depuradora caracterizado porque en el proceso de cambio de temperatura se emplea un tanque central colocado entre las etapas termofílica y mesofílica en donde se realiza el trasiego, la evacuación del efluente procedente de la etapa termofílica así como la regulación de la alimentación de las etapas hasta la recuperación de los niveles de ácidos grasos volátiles.

2. Planta para la digestión anaerobia termofílica-mesofílica secuencial de lodos mixtos de depuradora que comprende dos reactores anaerobios, agitados, calentados e interconectados con tanque central para el trasiego de efluente y la alimentacion de los reactores.

3. Planta para la digestión anaerobia termofílica-mesofílica secuencial de lodos mixtos de depuradora, según reivindicación 1, caracterizada porque la agitación se realiza mediante recirculación del fango.

4. Planta para la digestión anaerobia termofílica-mesofílica secuencial de lodos mixtos de depuradora, según reivindicaciones 2 y 3, caracterizada porque cada uno de los cuerpos de los reactores y dispone de los siguientes elementos:

a) Tres válvulas de paso para la toma de muestras b) Salida inferior hacia La bomba de recirculación c) Entrada lateral del fango recirculado d) Tapa boca de hombre lateral y entrada central para la inserción de la sonda de temperatura e) Tapa boca de hombre superior con tres salidas para La evacuación del biogás generado al contador volumétrico, para la toma de muestras del biogás y para la inserción del manómetro superior y una entrada central para La inserción del medidor de pH

f) Sonda de temperatura PT-100

g) Manómetro superior

h) Sensor de pH 5. Planta para la digestión anaerobia termofílica-mesofílica secuencial de lodos mixtos de depuradora, según reivindicaciones 2 a 4, caracterizada porque, además, cada reactor dispone, externamente al cuerpo del mismo, de:

a) Multímetro para la medida en continuo de pH y temperatura b) Bomba centrifuga monohelicoidal para la recirculación del fango c) Intercambiador de calor para la calefacción d) Manómetro a la entrada del fango al intercambiador e) Válvula termostática de tres vías f) Sonda de temperatura conectada a la válvula de tres vías

g) Termómetro a la entrada del fango al intercambiador h) Termómetro a la salida del fango al intercambiador i) Contador volumétrico de gas j) Termómetro a la entrada del agua al intercambiador k) Termómetro a la salida del agua al intercambiador

1) Manómetro a la entrada del fango al intercambiador

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