Sistema microaerobio para controlar la concentración de sulfuro de hidrógeno en reactores de biometanización.

Sistema microaerobio para controlar la concentración de sulfuro de hidrógeno en reactores de biometanización.

Los procesos industriales de biometanización suelen producir biogás con una concentración de sulfuro de hidrógeno superior a la permitida por los procesos de aprovechamiento. La necesidad de purificar este biogás ha conducido el desarrollo de procesos de desulfuración en los que el sulfuro de hidrógeno que contiene es oxidado hasta azufre elemental que se adhiere a las paredes del reactor de biometanización, el mismo que se utiliza como reactor de desulfuración, obligando a periódicas e ineludibles operaciones de limpieza y extracción del azufre elemental depositado siendo necesario detener el proceso de biometanización cuyo rendimiento disminuye al aparecer tiempos muertos asociados. La presente invención (fig.1) independiza el reactor (DA) de biometanización del reactor (DSA) de desulfuración de forma que, sin detener el funcionamiento del primero, pueden realizarse las necesarias operaciones de limpieza y mantenimiento en el segundo.

Sistema microaerobio para controlar la concentración de sulfuro de hidrógeno en reactores de biometanización.

Objeto de la invención En las condiciones reductoras existentes en los reactores anaerobios de biometanización, la materia orgánica carbonosa biodegradable se convierte en biogás, mezcla de metano y dióxido de carbono, mientras que los compuestos de azufre, tanto orgánicos como inorgánicos presentes en formas oxidadas (por ejemplo sulfatos) , se convierten en sulfuro. De acuerdo con los principios del equilibrio químico y termodinámico, parte de los sulfuros en disolución pasan a la especie sulfuro de hidrógeno en fase gaseosa. Por sus especiales características físicoquímicas, el sulfuro de hidrógeno gas limita las aplicaciones y el aprovechamiento del biogás. Existen diferentes procesos que inyectando oxígeno o aire en la cúpula del digestor anaerobio, facilitan la oxidación del sulfuro a azufre elemental, que mayoritariamente queda adherido a las paredes laterales y superior de la cúpula. Aunque este proceso de desulfuración es muy eficaz, está limitado por la necesidad operacional de eliminar cada cierto tiempo el azufre depositado, lo que obliga a abrir el digestor para la limpieza, circunstancia que requiere el empleo de complejos protocolos de parada con los consiguientes elevados tiempos muertos de operación. La patente de invención objeto de la presente memoria se refiere a un nuevo sistema y procedimiento de operación capaz de reproducir las condiciones de oxidación de sulfuro de hidrógeno que se dan en la cúpula del reactor en un equipo externo en el que la eliminación del azufre elemental depositado puede realizarse con facilidad y sin detener el proceso de biometanización.

Estado anterior de la técnica En función de la concentración de los compuestos de azufre en la alimentación, la gran mayoría de los procesos industriales de biometanización producen un biogás con concentración de sulfuro de hidrogeno superior a la permitida por los diversos procesos de aprovechamiento, tanto energéticos, en motores o turbinas para producción de energía eléctrica, como en motores de automoción, células de combustible y uso como materia prima en procesos industriales de síntesis. La necesidad de purificar el biogás, eliminando el sulfuro de hidrógeno, ha conducido el desarrollo de una gran variedad de procesos químicos de precipitación, fundamentalmente con sales de hierro o de lavado alcalino para absorber el sulfuro de hidrógeno. Por otra parte algunos lavados alcalinos se complementan con etapas de oxidación química o biológica que pretenden oxidar los sulfuros hasta azufre elemental

o sulfatos.

Atendiendo a los procesos biológicos, el proceso THIOPAQ® es una combinación de lavado químico alcalino convencional con una oxidación biológica en fase líquida del sulfuro absorbido. El proceso BIOPURICTM es conceptualmente semejante pero utiliza un biofiltro para la oxidación de los sulfuros. En el artículo "Development and application of biological H2S scrubbers for treatment of digester gas", Soroushian et al. (Weftec 2006) , se presenta un sistema de eliminación biológica del azufre en el que un tanque recibe por su parte inferior la corriente de biogás a limpiar, por la parte superior se inyecta una corriente de agua y otra de nutrientes. La patente JP 2004267998-A reivindica un equipo colocado en la parte superior del digestor que incluye la utilización de microorganismos soportados y de nutrientes. La patente US 2010/01011985 A1 reivindica un sistema biológico de desulfuración consistente en una torre que recibe la corriente de biogás, el aire utilizado para la oxidación biológica y una corriente de agua que tras pasar por la torre biológica es conducida al exterior; el sistema dispone de sendos tanques en los que el efluente del digestor entra en contacto con una corriente de biogás procedente de la torre biológica y que se recircula a la torre. En la patente US 6.056.934 se reivindica un método y equipo en el que en una primera etapa bacterias como Beggiatoa, Thiotrix o Thiobacilli convierten los sulfuros en azufre elemental que es posteriormente oxidado a sulfato.

Otra posibilidad para eliminar el sulfuro de hidrógeno del biogás consiste en introducir oxígeno en el digestor anaerobio. En un digestor anaerobio coexisten dos fases, líquida y gaseosa, claramente diferenciadas; en la zona inferior y en fase líquida se encuentra la masa en digestión, mientras que en la parte superior o cúpula se localiza el biogás antes de ser conducido al exterior. Aprovechando esta situación, algunas patentes reivindican la reducción de la concentración de sulfuro de hidrógeno en el biogás inyectando oxígeno o aire en la zona del reactor ocupada por la fase gaseosa. En la patente US 2008/0227081 A1 "Process for decomposing hydrogen sulfide by means of feeding oxygen", se cita textualmente: "el sulfuro de hidrógeno se transforma en azufre elemental cuando se alimenta oxígeno en el espacio gaseoso del fermentador''. De forma similar, en la patente US 2008/0248519 A1 "Agitator for a fermenter, fermenter and method for operating a fermenter" se indica: "A través de una transformación bioquímica, el biogás se desulfuriza en el fermentador, lo que implica que el sulfuro de hidrógeno es convertido en azufre cuando se suministra oxígeno al espacio de gas del fermentador''. La patente JP2003136089-A "Suppression of hydrogen sulfide generation during biogas production, involves measuring amount of biogas generated and supplying oxygen containing gas or oxygen based on measured value" mide la cantidad de biogás que se produce y de esta forma controla la inyección de oxígeno necesaria para la oxidación de los sulfuros a sulfatos. En la patente

AT200200532-A "Plant separating hydrogen sulfide from biogas using microorganisms, for use in fuel cells, mixes process fluid with oxidant in reactor" el oxidante gaseoso, aire u oxígeno, se mezcla con la corriente de fluido a tratar en el digestor.

Para mantener las condiciones anaerobias en el digestor, la patente JP20066143781-A "System for purification of biogas obtained by methane fermentation of organic waste generated from e.g., livestock, farming excrements and sewage works, comprises biological desulfurizer, oxygen analyzer, gas meter and air injector'', traslada el biogás desde la parte superior del digestor a un equipo de desulfuración en el que se recircula líquido desde la parte inferior a la superior. El sistema consta de analizador de oxígeno, caudalímetro de gas y un aparato de inyección de oxígeno conectado con la tubería de introducción del biogás no tratado. Cuando el analizador de oxígeno mide valores superiores a su consigna se detiene la introducción de aire. La patente JP2004135579-A "Apparatus for removing hydrogen sulfide contained in biogas generated during anaerobic fermentation of organic base, has desulfurizing tower supplied with digestive fluid for desulfurizing biogas" presenta un equipo de desulfuración donde los elementos fundamentales son las boquillas que forman spray con el líquido digerido y la tubería de aeración del biogás. De forma semejante la patente JP2004267998-A "Hydrogen sulfide removal apparatus for biogas used in e.g. power plant, has pipe wich sprinkles digestive liquor containing carriers of microorganisms used for oxidizing hydrogen sulfide, into apparatus" indica que el aparato se instala justo encima del digestor y su característica diferencial es poseer una tubería que rocía (sprinkling pipe) líquido digerido.

Las patentes mencionadas hacen referencia a la inyección de oxígeno en la fase gas del digestor o al tratamiento independiente del biogás. La literatura científica acerca de la introducción de oxígeno o aire en el propio digestor es escasa como se muestra en el artículo de Cirne, D.G., van der Zee, F.P., Fdz-Polanco, M., Fdz-Polanco, F., 2008. "Control of sulphide during anaerobic treatment of S=-containing wastewaters by adding limited amounts of oxygen or nitrate" publicado en Reviews in Environmental Science and Biotechnology 7 (2) 93-105, destacando el trabajo "ORPbased oxygenation for sulfide control in anaerobic treatment of high-sulfate wastewater" publicado en Water Research 37, 2053-2062, que señala la posibilidad de mantener el proceso biológico de producción de metano a pesar de la introducción de oxígeno en el digestor. En trabajos del grupo de investigación al que pertenecen parte de los autores de la presente Memoria, se ha demostrado la viabilidad técnica del proceso de biometanización en reactores inicialmente inoculados y operados en condiciones anaerobias, que por la introducción continuada de una fuente de oxígeno en la fase líquida, se transforman en reactores microaerobios: van der Zee, F.P., Villaverde, S., García,...

1. Sistema microaerobio para controlar la concentración de sulfuro de hidrógeno en reactores de biometanización caracterizado por estar configurado (Fig. 1) como objeto (SDS) separado e independizable del digestor anaerobio (DA) al que asiste y estar constituido por un depósito (7) en forma de cilindro o paralelepípedo con dos entradas/salidas de producto compuestas, respectivamente, por las tuberías (5) y (8-9) y las válvulas (6) , (10) y (13) , conectadas al digestor anaerobio (DA) cuyas características no se reivindican.

2. Sistema microaerobio para controlar la concentración de sulfuro de hidrógeno en reactores de biometanización según la reivindicación 1ª caracterizado porque el depósito (7) está provisto (Fig. 1) : a) con una entrada de producto constituida por la tubería (16) y la válvula (17) conectadas a un equipo inyector de gases (ventilador, soplante o compresor) ; b) con una salida de producto constituida por la tubería (14) y la válvula automática (13) comandada por un dispositivo controlador de nivel (12) ; c) con múltiples placas (18) aumentadoras de superficie; d) con una o varias "bocas de hombre" (19) ; e) con una o varias "bocas de mano" (20) ; f) con una tubería de salida de producto constituida por la tubería (21) y la válvula (22) ; g) con una válvula de vaciado (23) .

3. Sistema microaerobio para controlar la concentración de sulfuro de hidrógeno en reactores de biometanización según las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el depósito (7) está provisto (Fig.2) : a) con un circuito de recirculación constituido por una red de tuberías de conducción (26.1) y un equipo impulsor externo (26) (ventilador, soplante o compresor) ; b) con un sistema mecánico interno (27) capaz de producir agitación y turbulencia en gases; con un sistema laberíntico constituido por una o varias placas deflectoras (24) y tubos evacuadores (25) .

4. Sistema microaerobio para controlar la concentración de sulfuro de hidrógeno en reactores de biometanización según las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el depósito (7) está provisto (Fig. 3) con un sistema de proyección de líquidos constituido por un tanque almacén de líquido (28) , una bomba impulsora (29) , una red de tuberías (29.1) y boquillas o lanzas de salida orientables (30) .