DISEÑO DE UN DIGESTOR ANAERÓBICO DE UNA …relación con la obra Diseño de in digestor anaeróbico de una depuradora de tratamiento de aguas residuales con aprovechamiento energético,

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)

INGENIERO INDUSTRIAL

DISEÑO DE UN DIGESTOR ANAERÓBICO DE UNA DEPURADORA DE TRATAMIENTO

DE AGUAS RESIDUALES CON APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO

Autor: Jorge Jesús Pérez Pichel Director: María del Mar Cledera Castro

Madrid

Julio - 2012

AUTORIZACIÓN PARA LA DIGITALIZACIÓN, DEPÓSITO Y DIVULGACIÓN EN ACCESO

ABIERTO (RESTRINGIDO) DE DOCUMENTACIÓN

1º. Declaración de la autoría y acreditación de la misma.

El autor D. Jorge Jesús Pérez Pichel, como estudiante de la UNIVERSIDAD PONTIFICIA

COMILLAS (COMILLAS), DECLARA

que es el titular de los derechos de propiedad intelectual, objeto de la presente cesión, en

relación con la obra Diseño de in digestor anaeróbico de una depuradora de tratamiento de

aguas residuales con aprovechamiento energético, que ésta es una obra original, y que ostenta

la condición de autor en el sentido que otorga la Ley de Propiedad Intelectual como titular

único o cotitular de la obra.

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autorización de dichos titulares de derechos a los fines de esta cesión o bien que retiene la

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CEDE a la Universidad Pontificia Comillas de forma gratuita y no exclusiva, por el máximo plazo

legal y con ámbito universal, los derechos de digitalización, de archivo, de reproducción, de

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tal y como se describen en la Ley de Propiedad Intelectual. El derecho de transformación se

cede a los únicos efectos de lo dispuesto en la letra (a) del apartado siguiente.

3º. Condiciones de la cesión.

Sin perjuicio de la titularidad de la obra, que sigue correspondiendo a su autor, la cesión de

derechos contemplada en esta licencia, el repositorio institucional podrá:

(a) Transformarla para adaptarla a cualquier tecnología susceptible de incorporarla a internet;

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incluyendo el derecho de reproducir y almacenar la obra en servidores, a los efectos de

garantizar su seguridad, conservación y preservar el formato. .

(c) Comunicarla y ponerla a disposición del público a través de un archivo abierto institucional,

accesible de modo libre y gratuito a través de internet.1

(d) Distribuir copias electrónicas de la obra a los usuarios en un soporte digital. 2

4º. Derechos del autor.

El autor, en tanto que titular de una obra que cede con carácter no exclusivo a la Universidad

por medio de su registro en el Repositorio Institucional tiene derecho a:

a) A que la Universidad identifique claramente su nombre como el autor o propietario de los

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en contacto con el vicerrector/a de investigación ([email protected]).

d) Autorizar expresamente a COMILLAS para, en su caso, realizar los trámites necesarios para

la obtención del ISBN.

d) Recibir notificación fehaciente de cualquier reclamación que puedan formular terceras

personas en relación con la obra y, en particular, de reclamaciones relativas a los derechos de

propiedad intelectual sobre ella.

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1 En el supuesto de que el autor opte por el acceso restringido, este apartado quedaría redactado en los

siguientes términos:

(c) Comunicarla y ponerla a disposición del público a través de un archivo institucional, accesible de

modo restringido, en los términos previstos en el Reglamento del Repositorio Institucional

2 En el supuesto de que el autor opte por el acceso restringido, este apartado quedaría eliminado.

El autor se compromete a:

a) Garantizar que el compromiso que adquiere mediante el presente escrito no infringe ningún

derecho de terceros, ya sean de propiedad industrial, intelectual o cualquier otro.

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pudieran ejercitarse contra la Universidad por terceros que vieran infringidos sus derechos e

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infracción de derechos derivada de las obras objeto de la cesión.

6º. Fines y funcionamiento del Repositorio Institucional.

La obra se pondrá a disposición de los usuarios para que hagan de ella un uso justo y

respetuoso con los derechos del autor, según lo permitido por la legislación aplicable, y con

fines de estudio, investigación, o cualquier otro fin lícito. Con dicha finalidad, la Universidad

asume los siguientes deberes y se reserva las siguientes facultades:

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privada, requerirá que se cite la fuente y se reconozca la autoría, que no se obtenga beneficio

comercial, y que no se realicen obras derivadas.

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responsabilidad exclusiva del autor y no estará obligada a ejercitar acciones legales en nombre

del autor en el supuesto de infracciones a derechos de propiedad intelectual derivados del

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- La Universidad adoptará las medidas necesarias para la preservación de la obra en un

futuro.

b) Derechos que se reserva el Repositorio institucional respecto de las obras en él registradas:

- retirar la obra, previa notificación al autor, en supuestos suficientemente justificados, o en

caso de reclamaciones de terceros.

DISEÑO DE UN DIGESTOR ANAERÓBICO DE UNA

DEPURADORA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

CON APROVECHAMIENTO ENERGÉTICO

Autor: Pérez Pichel, Jorge Jesús.

Director: María del Mar Cledera Castro

Entidad Colaboradora: ICAI – Universidad Pontificia Comillas.

RESUMEN DEL PROYECTO

Introducción

El incremento de la población y la expansión de la industria provocan un notable

descenso de las fuentes naturales de agua. Por esta razón, es necesario controlar y

gestionar el consumo y regeneración de este preciado elemento. Para ello, se realizan

diversas políticas de gestión del consumo y tratamientos de aguas residuales para su

retorno al medio natural. En las últimas décadas, ha adquirido especial interés los

procesos de aprovechamiento energético. Actualmente, todas las empresas y países

de zonas con un alto nivel de desarrollo realizan grandes inversiones para investigar

e instalar nuevas depuradoras o mejorar las ya existentes.

El proyecto propone realizar un análisis de los factores determinantes que interviene

en el proceso de digestión anaeróbica de fangos procedentes de aguas residuales

urbanas, con el fin de comprobar y observar las relaciones existentes entro los

distintos parámetros y la eficiencia energética.

Metodología

Para poder dimensionar el digestor anaeróbico es necesario partir de las

características de las aguas residuales del efluente.

Partiendo de los datos proporcionados por la empresa Aguas de Jerez, se obtienen las

cargas contaminantes así como los caudales y la población de diseño. Con estas

bases iniciales de diseño, se plantea el estudio funcional de los procesos intermedios

de la línea de agua y la línea de fangos hasta llegar al digestor anaeróbico.

Resultados

Una vez obtenidos los valores característicos de los fangos de entrada del digestor, se

procede a fijar los valores normalizados obtenidos en la bibliografía. Dichos valores

se consideran la base del diseño de digestores anaeróbicos para aguas urbanas y se

han fijado a partir de la experiencia a lo largo de los años y de los conceptos teóricos

que en el proyecto se desarrollan.

Así pues, las características de los fangos extraídos de la línea de agua y espesados

en el pretratamiento de fangos se representan en la siguiente tabla.

Tabla 1: Fangos mixtos de entrada al digestor

Una vez fijados los parámetros de diseño, se parametríza el digestor teniendo en

cuenta los límites constructivos unitarios del propio digestor, así como de las

calderas y de los intercambiadores. Además, se presta especial atención a la

coherencia de los resultados con el objetivo de obtener resultados típicos y

contrastados en la bibliografía.

Por otro lado, la parametrización permite controlar dos grados de libertad: la cantidad

de digestores a instalar y la posibilidad de dotar de aislamiento a los tanques de

digestión.

Por lo tanto, el proceso anaeróbica se desarrolla con cuatro digestores de 19,43 m de

diámetro y con un tiempo de retención de 20 días a 35ºC. La tabla 2 muestran los

resultados obtenidos.

Tabla 2: Características funcionales del digestor

F. orgánicos espesados (Kg/m3) 28.454,40

Caudal de fangos espesados (m3/día) 1.185,60

Volumen deigestor (m3) 23.712

Número de digestores 4

Volumen unitario(m3) 5928

Diámetro (m) 19,43

A partir de los valores geométricos y funcionales del digestor, así como las

características de los fangos a la entrada del mismo, se determinan las necesidades

energéticas para el control de uno de los parámetros más importantes del digestor: la

temperatura.

En la tabla 3 se muestran dichas necesidades en las que se puede observar las

diferencias entre la instalación de un aislamiento frente a la ausencia del mismo.

Tabla 3: Necesidades térmicas para control de temperatura

La tabla 4 se presenta las capacidades de los intercambiadores y las calderas a

instalar. Se trata de valores dentro de los márgenes habituales en depuradoras de este

tamaño y se pueden observar los beneficios al instalar el aislamiento. Será

determinante la normalización del número de calderas y de intercambiadores al

impedir obtener valores unitarios coherentes.

Tabla 4: Características de intercambiadores y de calderas

Sin aislamiento Con aislamiento

Necesidades calentamiento de fangos (Kcal/h) 988.000 988.000

Necesidades por pérdidas (Kcal/h) 534.398 323.478

Demanda Térmica Total (Kcal/h) 1.522.398 1.311.478


Número de intercambiadores 5 5

Capacidad necesaria intercambiador

(Kcal/h)

1.691.553 1.457.197

Capacidad unitaria intercambiador

(Kcal/h)

338.311 291.439

Numero de calderas 2 2

Capacidad necesaria calderas (Kcal/h) 2.349.379 2.023.885

Capacidad unitaria calderas (Kcal/h) 1.174.689 1.011.943

Finalmente, se obtienen los resultados de generación de biogás (con un contenido en

gas aproximado del 65%). El gas consumido cubre las necesidades térmicas del

digestor obteniendo un exceso de gas empleado como combustible para la

producción de energía eléctrica. A su vez, en el proceso de combustión, el calor de

las camisas de los motores y de los gases de escape pueden ser reaprovechados para

reforzar las necesidades térmicas en el calentamiento de fangos.

Las tablas 5 y 6 muestran los resultados de la gestión del gas y de la producción

eléctrica en la que se tiene en cuenta un rendimiento del motogenerador del 35%.

Tabla 5: Generación de biogás

Tabla 6: Generación energética

Conclusiones

El número de intercambiadores y de calderas están fijadas por la norma siendo

necesario el exhaustivo control de las capacidades energéticas. En este caso, la

presencia del aislamiento permite la viabilidad del proyecto al permitir obtener

valores unitarios de volumen, capacidades y producción de gas-energía dentro de

márgenes.


Volumen de gas generado (m3/día) 11.524 11.524

Volumen de gas consumido (m3/día) 8.426 7.258,40

Volumen de gas en exceso (m3/día) 3.098 4.266


Producción térmica en exceso

(Kcal/h)

691.124,3 951.519,3

Potencia eléctrica (Kw) 281,3 387,3

Energía eléctrica (Kwh) 6.751,70 9.295,60

La relación entre parámetros de diseño se hace patente al modificar los grados de

libertad. Una vez fijadas las bases de diseño se observa como los incrementos de

pérdidas producidos al modificar el número de digestores son elevados cuando se

aumenta la superficie de contacto.

Tras el estudio de la bibliografía y observando notables mejorías con la introducción

de aislamiento, se decide la instalación de 4 digestores obteniéndose valores más

coherentes que para 3 digestores. Es cierto que el biogás producido es menor, pero

las variaciones en el mismo teniendo en cuenta la presencia de aislante son

despreciables frente a los beneficios constructivos.

Finalmente, la potencia producida con los cuatros digestores aislados, permite

generar 9.295,6 Kwh de energía eléctrica al día, equivalente al consumo eléctrico de

aproximadamente 1150 familias de cuatro miembros.

AN ANAEROBIC DIGESTER DESIGN OF SEWAGE WASTE

WATER TREATMENT WITH ENERGY USE

Author: Pérez Pichel, Jorge Jesús.

Director: María del Mar Cledera Castro

Collaborating Institution: ICAI – Universidad Pontificia Comillas.

SUMMARY

Introduction

Population increase and the expansion of the industry cause a notable decrease of the

natural sources of water. For this reason, the consumption and regeneration of this

valued element has to be controlled and managed. To do this, some policies of

consumption management and treatment of the sewage for a returning to the natural

environment are carried out. Over the past decades, the energy exploitation process

has been often used. Today, all companies and developed countries invest in

research, set up new sewage treatment plants or improve the active ones.

The project wants to carry out an analysis of the crucial factors for the anaerobic

digestion of sludge from urban areas, checking and watching the relations among

different parameters and the energy efficiency.

Methodology

In order to size the anaerobic digester, it’s necessary to start from the features of the

tributary sewage.

From data of the company Aguas de Jerez the amount of wastewater, flows and

design population can be obtained. With these design data, it’s possible to study the

intermediate processes of the water and sludge lines until the anaerobic digester.

Results

Once the characteristic values of the mud at the digester inlet are obtained, the

normalized values from bibliography are fixed. These values are considered the base

for the anaerobic digester design for urban water, and have been fixed with years of

experience and some of the theoretical concepts developed at this work.

Thus, the characteristics of the mud extracted from the water line and thicken at the

mud pre-treatment are shown at the next table:

Table 1: Mixed mud at the digester inlet

Once the design parameters have been fixed, the digester is parameterized taking into

account all the digester unitary constructive limits as well as in case of each boiler

and heat exchangers. Moreover, it is important to pay special attention for the

coherence of all results with the goal of obtaining typical results contrasted with the

bibliography.

On the other hand, the parameterization lets to control two degrees of freedom: the

quantity of digesters to be installed and the possibility of isolating the digester tanks.

Thus, the anaerobic process is developed with four digesters, each one with a 19.43

m diameter and with a retaining time of 20 days at 35ºC. Table 2 shows the obtained

results.

Table 2: Functional characteristics of the digester

Thicken organic mud (Kg/m3) 28.454,40

Thicken mud flow (m3/day) 1.185,60

Digester volume (m3) 23.712

Number of digesters 4

Unitary volume (m3) 5928

Diameter (m) 19,43

Considering the geothermal and functional values of the digester, as well as the mud

characteristics at the inlet sections, the energetic needs are determined in order to

control one of the most important parameters of the digester: the temperature.

At table 3 it is shown that needs where it is possible to see the differences between

installing the insulation and without considering it.

Table 3: Thermal necessities to temperature control

The table 4 represents the exchangers’ capacities and the boilers capacities when

they are installed. They are securities within the normal borders in purifying plants of

this size. We can see the benefits when we install the insulation. The standardization

of the volume of boilers and exchangers will be really important because it will

prevent the correct unitary value.

Table 4: Exchangers and boilers features

Finally, we obtain the results of biogas generate (with a approximately content in gas

of 65%). The consumed gas covers the thermal necessities of the digester, getting a

excess of gas used as fuel in order to obtain electric energy. In turn, in the

Without insulation With insulation

Heat necessities of sludge (Kcal/h) 988.000 988.000

Necessities by loss (Kcal/h) 534.398 323.478

Total Thermal Demand (Kcal/h) 1.522.398 1.311.478

Without insulation With insulation

Volume of exchangers 5 5

Necessary capacity exchanger (Kcal/h) 1.691.553 1.457.197

Unitary capacity exchanger (Kcal/h) 338.311 291.439

Volume of boilers 2 2

Necessary capacity boilers (Kcal/h) 2.349.379 2.023.885

Unitary capacity boilers (Kcal/h) 1.174.689 1.011.943

combustion process, heat of engine jacket and exhausts can be reused in order to

strengthen the thermal necessities in the sludge heating’s.

Tables 5 and 6 show the results of the gas and electric production management

taking into account the motogenerator efficiency 35%.

Table 5: Biogas generation

Table 6: Energy generation

Conclusions

The number of exchangers and boilers are fixed according to the rule. It is necessary

an exhaustive control of the energetic capacities. In this case, the presence of

isolation allows the project feasibility as it enables to obtain unitary values of

volume, capacities and production of gas-energy within margins.

The relationship between the design parameters is becomes evident as the degrees of

freedom are changed. Once the design bases are fixed, increments of the production

losses can be observed when the number of digesters is high and the contact area

increases.

After de literature review and observing significant improvements in the introduction

of the isolation, we decided the installation of 4 digesters obtaining more consistent

Without isolation With isolation

Volume of gas generated (m3/day) 11.524 11.524

Volume of gas consumed (m3/day) 8.426 7.258,40

Excess volume of gas (m3/day) 3.098 4.266

Without isolation With isolation

Thermal production in excess

(Kcal/h)

691.124,3 951.519,3

Electric Power (Kw) 281,3 387,3

Electric energy (Kwh) 6.751,70 9.295,60

values than with 3 digesters. The biogas produced is lower, but the variations of it

taking into account the presence of isolation are negligible compared with the

constructive benefits.

Finally, the power produced by the four isolated digesters allows the generation of

9.295,6 Kwh of electric a day, equivalent to the electric consume of approximately

1150 families of 4.

- 1 -

ÍNDICE

ÍNDICE .................................................................................................................... - 1 -

ÍNDICE DE TABLAS ............................................................................................. - 4 -

ÍNDICE DE FIGURAS............................................................................................ - 5 -

CAPITULO 1: INTRODUCCIÓN .......................................................................... - 7 -

1.1. Estado de la cuestión............................................................................... - 7 -

1.1.1 Contexto general ................................................................................. - 7 -

1.1.2 Antecedentes ....................................................................................... - 8 -

1.1.3 Actualmente ........................................................................................ - 9 -

1.1.4 Evolución futura................................................................................ - 10 -

1.2. Motivación ............................................................................................- 11 -

1.3. Objetivos del proyecto .......................................................................... - 12 -

1.4. Metodología: Solución desarrollada ..................................................... - 14 -

CAPITULO 2: ESTUDIO DE AGUAS RESIDUALES ....................................... - 15 -

2.1. Características del afluente ................................................................... - 15 -

2.1.1 Población de diseño........................................................................... - 16 -

2.1.2 Cargas contaminantes afluente.......................................................... - 16 -

2.1.3 Caudal de diseño ............................................................................... - 18 -

2.2. Características del efluente ................................................................... - 19 -

2.2.1 Directiva sobre tratamiento de aguas residuales urbanas.................. - 19 -

2.2.2 Determinación de zonas sensibles y menos sensibles:...................... - 22 -

2.2.3 Características finales del efluente.................................................... - 24 -

CAPITULO 3: ELEMENTOS FUNCIONALES .................................................. - 25 -

3.1. Estructura de las instalaciones .............................................................. - 25 -

3.1.1 Elementos de la línea de agua ........................................................... - 25 -

- 2 -

3.1.2 Elementos de la línea de fangos ........................................................ - 27 -

3.2. Justificación datos de partida ................................................................ - 29 -

3.2.1 Decantación primaria ........................................................................ - 30 -

3.2.2 Reactor biológico .............................................................................. - 33 -

3.2.3 Espesamiento..................................................................................... - 37 -

3.2.4 Mezcla de fangos mixtos................................................................... - 39 -

CAPITULO 4: DESCRIPCIÓN DEL PROCESO ANAERÓBICO...................... - 41 -

4.1. Objetivos del proceso Anaeróbico ........................................................ - 41 -

4.2. Microbiología del proceso..................................................................... - 42 -

4.3. Producción de metano ........................................................................... - 44 -

4.4. Digestores anaeróbicos: ........................................................................ - 45 -

4.5. Parámetros ambientales y operacionales a controlar ............................ - 46 -

4.5.1 La importancia del pH:...................................................................... - 47 -

4.5.2 Los Nutrientes ................................................................................... - 47 -

4.5.3 Temperatura y tiempo de retención................................................... - 48 -

4.5.4 Agitación o mezclado:....................................................................... - 49 -

4.5.5 Otros parámetros: .............................................................................. - 49 -

CAPITULO 5: DISEÑO DEL PROCESO ANAERÓBICO ................................. - 51 -

5.1. Introducción ..........................................................................................- 51 -

5.2. Normas de diseño.................................................................................. - 53 -

CAPITULO 6: PARAMETRIZACIÓN DEL DIGESTOR ................................... - 57 -

6.1. Análisis previo ...................................................................................... - 57 -

6.2. Dimensionamiento del digestor............................................................. - 58 -

6.3. Producción de gas ................................................................................. - 60 -

6.4. Estudio energético................................................................................. - 61 -

6.4.1 Introducción ...................................................................................... - 61 -

- 3 -

6.4.2 Calentamiento de fangos ................................................................... - 61 -

6.4.3 Intercambiador .................................................................................. - 65 -

6.4.4 Caldera .............................................................................................. - 66 -

6.4.5 Gas en exceso.................................................................................... - 67 -

CAPITULO 7: CONCLUSIONES ........................................................................ - 71 -

7.1. Conclusiones sobre los resultados......................................................... - 71 -

7.2. Cumplimiento de objetivos ................................................................... - 72 -

CAPITULO 8: BIBLIOGRAFÍA........................................................................... - 73 -

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ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1: Cargas contaminantes afluente. .............................................................. - 17 -

Tabla 2: Cargas contaminantes afluente ............................................................... - 24 -

Tabla 3: Fangos retenidos en decantador 1º.......................................................... - 31 -

Tabla 4: Concentraciones DBO5 en decantación 1º ............................................. - 31 -

Tabla 5: Concentraciones sólidos en suspensión a T. Biológico .......................... - 32 -

Tabla 6: Cargas contaminantes de entrada y salida al reactor biológico .............. - 33 -

Tabla 7: Relación rendimiento proceso y CM ...................................................... - 34 -

Tabla 8: Fangos en exceso destinados al espesador.............................................. - 35 -

Tabla 9: Cargas contaminantes en salida de planta............................................... - 36 -

Tabla 10: Producción de fangos............................................................................ - 36 -

Tabla 11: Tabla resumen espesamiento ................................................................ - 38 -

Tabla 12: Resultados mezcla de fangos ................................................................ - 40 -

Tabla 13: Datos diseño digestor ............................................................................ - 58 -

Tabla 14: Dimensiones de los digestores .............................................................. - 59 -

Tabla 15: Datos de partida .................................................................................... - 60 -

Tabla 16: Temperaturas de diseño ........................................................................ - 61 -

Tabla 17: Coeficientes de transferencia ................................................................ - 62 -

Tabla 18: Dimensiones digestor............................................................................ - 63 -

Tabla 19: Pérdidas en transferencia ...................................................................... - 64 -

Tabla 20: Demanda termina total .......................................................................... - 64 -

Tabla 21: Dimensionamiento energetico intercambiadores .................................. - 65 -

Tabla 22: Dimensionamiento energético Calderas ............................................... - 66 -

Tabla 23: Resultados eléctricos sin aislamiento.................................................... - 69 -

Tabla 24 Resultados eléctricos con aislamiento.................................................... - 70 -

Tabla 25: Resultados eléctricos............................................................................. - 72 -

- 5 -

ÍNDICE DE FIGURAS

Ilustración 1: Esquema funcional de la depuradora .............................................. - 28 -

Ilustración 2: Puntos de actuación de las bacterias............................................... - 43 -

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Proyecto de fin de carrera Curso 2011 - 2012 Jorge Jesús Pérez Pichel _____________________________________________________________________________________________

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CAPITULO 1: INTRODUCCIÓN

1.1. Estado de la cuestión

1.1.1 Contexto general

Ante el aumento de la población mundial y el desarrollo energético actual, el agua se presenta como un recurso a controlar. Desde la captación para el consumo urbano hasta su retorno al medio natural se sigue un ciclo cerrado. En dicho ciclo, el agua es sometida a distintos procesos como la captación, potabilización, transporte, distribución, consumo, alcantarillado, depuración, reciclaje y retorno al medio natural.

Para la correcta gestión del agua y la protección del medio ambiente es muy importante un tratamiento previo al retorno a los ríos o mares. No evacuar el agua residual de las zonas de consumo produce problemas estéticos, gases malolientes y gases nocivos para la salud. Así pues, permitir una acumulación y estancamiento de las aguas residuales implicaría un grave problema para la sociedad.

Con el fin de evacuar las aguas residuales y devolverlas al medio natural en unas condiciones óptimas, se instalan las depuradoras. Este proyecto se centrará en el diseño de una depuradora con el fin de estudiar los principales factores que afectan a la producción de gas metano en el proceso de digestión anaeróbica.

Por otro lado, ante el cambiante entorno energético, se quiere realizar hincapié en el posible reaprovechamiento energético mediante la producción de calor y electricidad empleando como combustible en gas metano generado.

A partir del siglo XIX, el aumento del consumo del agua, ya sea para el consumo de seres vivos (humanos, animales, plantas, etc…) o para el consumo industrial, implicó una mayor concienciación en el desarrollo de técnicas para el saneamiento del agua residual y su entrono.

Actualmente, los países desarrollados, o en proceso de desarrollo, regulan los vertidos en ríos, mares o lagos de aguas residuales. En España la Directiva 91/271/CEE impone una serie de calidades al agua retornada al medio natural.

Proyecto de fin de carrera

Curso 2011 – 2012 Jorge Jesús Pérez Pichel

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- 8 -

En este contexto, distintas empresas centran su actividad en el desarrollo y construcción de plantas depuradoras que poco a poco aumentan en rendimiento. Estas empresas se encuentran investigando continuamente para solventar los distintos problemas que aparecen con la industrialización y el desarrollo de la sociedad. Dichos problemas son principalmente los siguientes:

• Aumento de la población

• Continua expansión industrial

• Canalización de aguas pluviales y productos químicos en el campo

• Falta de efectividad de los procesos de tratamiento.

Aparecen nuevas tecnologías centradas principalmente en aumentar la efectividad de los procesos pero también en reutilizar en mayor grado lo que años antes se consideraban desechos o se quemaba. Este reaprovechamiento energético se centra principalmente en la introducción de procesos de cogeneración, pilas de combustible, reutilización de los lodos y la reutilización de las aguas para actividades que no precisen una gran calidad.

1.1.2 Antecedentes

El tratamiento y control de las aguas residuales comienza en la antigüedad con la recogída y drenaje de las aguas pluviales. Hasta el siglo XIX no se empieza a recoger aguas residuales. En la segunda mitad del siglo XIX se plantea la teoreía del germen por parte de Koch y Pasteur. En ella se relacionan los contaminantes de las aguas residuales con muchas de las enfermedades de la época.

Con el aumento de la población y de la industria con la revolución industrial creciente, los problemas sanitarios y medioambientales crecen notablemente. Pese a ello, no es hasta finales del siglo XX cuando se introducen sistemas de tratamiento de aguas residuales y más tarde sistemas de eficiencia energética.



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1.1.3 Actualmente

Desde finales del siglo pasado, el la complejidad y desarrollo de las plantas depuradoras se ha visto incrementada notoriamente. Actualmente, se realizan las operaciones unitarias (fenómenos físicos) y los procesos unitarios (fenómenos químicos) conjuntamente en los tres tratamientos de una depuradora: primario, secundario y terciario.

En estos tres tratamientos se desempeñan operaciones físicas de sedimentación, desengrasado-desarenado, desbaste, etc (procesos destinados al pretratamiento del agua para mejorar la eficiencia del proceso completo), así como la eliminación de la materia orgánica mediante los decantadores primario y/o secundario entre otros procesos biológicos y químicos. Además, para completar el proceso, se prepara el agua para su vertido al medio natural eliminando el nitrógeno, el potasio y otros elementos [7].

Con el aumento del consumo de agua al incrementarse la población, las fuentes naturas de agua no llegan para cubrir la demanda. Se observa la necesidad de explotar nuevos yacimientos y depurar las aguas residuales devolviéndolas al ciclo del agua procurando una perturbación al medio natural lo menor posible.

Las cifras son alarmantes [7]. 2000 millones de personas no disponen de un tratamiento del agua residual. En Europa un 30% de la población no está conectada a ninguna depuradora. Además, en muchas ocasiones el agua que retorna a la naturaleza lo hace en pésimas condiciones.

Es por ello que las normativas sobre el uso, gestión y tratamiento de aguas se han visto modificadas en todo el mundo. Esta es la causa por la que se produce un incremento en la instalación de plantas depuradoras para tratar aguas residuales urbanas e industriales.

Es importante resaltar el alto coste que supone estos cambios en las normativas. No todas las empresas o instituciones públicas pueden asumir dichos costes. La solución adoptada es la reconversión de las depuradoras existentes completándolas con la introducción de nuevos tratamientos o instalando de sistemas de aprovechamiento energético y de mejora de eficiencia.



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1.1.4 Evolución futura

Las evoluciones en las directivas pretenden mejorar el control de la contaminación con el fin de proteger los recursos naturales y el medio ambiente. Para el cumplimiento de la normativa, es necesaria una mejora continua en la que la evolución constante de la tecnología debe cubrir el cambio del entorno.

El panorama futuro para el tratamiento de aguas presenta una serie de características que determinan la evolución tecnológica [1]:

• Naturaleza cambiante del agua residual

• Incremento de los residuos industriales

• Efectividad de los procesos y de los sistemas de depuración

• La importancia de la salud y el medio ambiente.

• Presencia de aguas pluviales y fuentes no localizadas de contaminación

• Nuevas operaciones de tratamiento, procesos y conceptos

El crecimiento de la población y el cambio es sus costumbres implican un mayor consumo de aguas y la presencia de nuevos contaminantes, es decir, se produce un aumento considerable del caudal a tratar y la necesidad de introducir nuevas tecnologías de depuración

Por otro lado, se observa un incremento de los residuos industriales en las aguas de alcantarillado urbano. Es importante el control legal y tecnológico de esta situación. Las aguas con presencia de contaminantes industriales así como la presencia de aguas provenientes de otros focos contaminantes no localizados implican procesos de depuración significativamente distintos siendo muy costosa la depuración del agua residual “mixta”.

Las instituciones que velan por la salud pública presionan en gran medida a los responsables públicos y empresas por la instalación de procesos de tratamiento de aguas. Dicha presión implica un incremento de los costes por lo que se presenta un gran problema al no poder asumirlos. El incremento actual de procesos energéticamente efectivos permite la viabilidad de un proyecto de saneamiento y regeneración del medio natural y de las fuentes naturales de aguas a nivel mundial.



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1.2. Motivación

Es evidente la necesidad de la construcción de depuradoras para el tratamiento del agua residual. Por esa razón, se desarrolla un proyecto en el que se analiza una estación depuradora determinando los principales factores que afectan en la producción de gas metano. Se trata de un proyecto de máxima actualidad y con una previsión de futuro en la que la investigación juega un importante papel.

La motivación del proyecto reside en profundizar en la parametrízación de un digestor anaeróbico para aguas residuales urbanas. El proyecto busca concretar las relaciones existentes entre los parámetros de diseño por medio de la propia parametrización de un digestor.

Así pues, no se trata solo de diseñar un tanque de digestión anaeróbica, sino que se realizarán una serie de conclusiones en las que se deja patentes las relaciones entre parámetros y la importancia de cada uno de ellos.



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1.3. Objetivos del proyecto

El proyecto en cuestión persigue como objetivo principal el análisis técnico de una estación de tratamiento de aguas con el fin de dimensionar los principales parámetros que interviene en el proceso anaeróbico prestando especial atención a los que afectan a la producción de biogás. Para determinar correctamente los factores influyentes en la digestión anaeróbica será necesario realizar el estudio de todos los procesos intermedios entre efluente y el digestor.

Este análisis implica el estudio exhaustivo del proceso digestivo así como de las bases de diseño. Como se verá en el Capitulo 5, se trata de una serie de parámetros normalizados a partir de la experiencia en el desarrollo de plantas depuradoras de aguas residuales.

En el estudio de procesos intermedios no solo justifica las decisiones tomadas en el diseño del digestor, sino que da una visión general de una planta depuradora con el fin de comprender bien el proceso seguido para lograr satisfacer los objetivos analíticos.

Así pues, para poder realizar un correcto estudio analítico del digestor anaeróbico, se busca determinar los parámetros iniciales de partida en el diseño de una depuradora empleando como base de estudio una depuradora real ya proyectada.

A partir de ahí, se estudian y se plantean las bases de diseño de los procesos intermedios en la línea de agua y de fango necesarias.

Finalmente, el proyecto busca realizar un análisis de las relaciones existentes entre los parámetros y valores desarrollados en el transcurso del diseño. Se pretende estudiar los parámetros directamente relacionados con el proceso de digestión y con la producción energética.

Para ello se realiza un estudio energético en el que se valoraran las dos principales soluciones de aprovechamiento energético: aislamiento del digestor y aprovechamiento del gas en exceso. Se trata de determinar como influyen los parámetros de diseño en las necesidades de calor y en la producción de energía buscando los valores óptimos de los parámetros buscando la mayor eficiencia energética



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En resumen, los objetivos perseguidos por el proyecto se esquematizan a continuación por orden de importancia:

• Conocimiento profundo del proceso digestivo.

• Dimensionamiento de un digestor

o Estudio de las bases de diseño.

• Análisis de las relaciones entre parámetros para:

o Determinar los parámetros que influyen en la digestión.

o Determinar los parámetros que intervienen en la producción

energética

o Valores óptimos de los parámetros buscando la mayor eficiencia

energética.

• Conocimiento general de una depuradora

• Determinación de los parámetros iniciales de partida en el diseño de una

depuradora basándose en una depuradora proyectada.

• Diseño funcional de los procesos intermedios en la línea de agua y de fango

necesarias para dimensionar el digestor.



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1.4. Metodología: Solución desarrollada

Los objetivos principales planteados tienen un rasgo en común en la necesidad de diseñar un digestor anaeróbico. Como se verá más tarde, las características del efluente determinan la disposición funcional de la planta obligando a situar el digestor anaeróbico en la línea de fangos.

Partiendo de los datos proporcionados por la empresa Aguas de Jerez, se plantean las bases del diseño del digestor, siendo necesario realizar el estudio funcional de los procesos intermedios al digestor.

Una vez obtenidos las características de los fangos de entrada al digestor se realiza el dimensionamiento de éste. La bibliografía estudiada fija una serie de parámetros. Se estandariza el dimensionamiento del digestor, de fagos procedentes de aguas urbanas, gracias a la experiencia en el diseño del mismo.

En el Capitulo 5 y 6 se observará que fijados las bases de diseño e impuestas las limitaciones técnicas, el dimensionado del digestor que determinado por dos grados de libertad: el número de digestores unitarios a instalar y la posibilidad de instalar aislamiento térmico en la superficie del digestor. Una vez resuelta la parametrización se obtienen unos resultados que se analizarán como conclusiones.



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CAPITULO 2: ESTUDIO DE AGUAS RESIDUALES

El análisis de las características de las aguas residuales y las posteriores aguas tratadas es imprescindible para el diseño de la planta. El correcto conocimiento de los caudales de agua a tratar, así como la composición de las aguas es determinante y un error en el cálculo de las mismas supone el incumplimiento de la normativa vigente.

Por otro lado, para determinar la idoneidad de los procesos seleccionados es necesario conocer dichas características. En este capitulo, se plantean las bases de las posteriores justificaciones.

2.1. Características del afluente

Las principales características del efluente a estudiar son: población, caudal, dotación y cargas contaminantes. Para el correcto dimensionado de la planta no solo es necesario conocer los valores de dichas características, que se pueden considerar como datos de partida, sino que también sería necesario conocer la evolución de las mismas para evitar la obsolescencia precoz de la planta depuradora.

Dado que uno de los objetivos del proyecto consiste en realizar un análisis de los factores determinantes en la producción de metano para su posterior aprovechamiento en procesos de cogeneración se intenta obtener resultados relevantes de producción de biogás. Por esa razón, se propone el estudio de la depuradora de aguas residuales “Guadalete”. Los valores se extraen de la información ofrecida por la empresa Aguas de Jerez en su página web.

En la EDAR de Jerez se tratan todas las aguas residuales urbanas que se generan en la ciudad de Jerez y núcleos de población próximos, tal y como Guadalcacín, Estella, Garciagos, Los Albarizones, La Corta y El Portal. Se trata de un planteamiento ideal al no haber contaminantes de origen industrial que puedan desvirtuar los resultados de generación de biogás.



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2.1.1 Población de diseño

Aguas de Jerez informa que la depuradora es diseñada para una población de 691.200 habitantes equivalentes. El concepto de habitante equivalente es el usado para calcular la población de diseño. Se trata de una forma de expresar la concentración de la materia orgánica en las aguas residuales. En el apartado 2.1.3 se profundiza más en el concepto de habitante equivalente al calcular el caudal medio de diseño.

Como ya se ha mencionado, sería necesario realizar un estudio de la evolución de la población afectada por factores estaciónales y demográficos. Se deben conocer las previsiones de expansión futuras con el fin de realizar las hipótesis pertinentes de crecimiento. Para la depuradora de Jerez, los datos obtenidos fueron empleados para el diseño de la planta, por lo que ya se tiene en cuenta en ellos los factores evolutivos.

2.1.2 Cargas contaminantes afluente

Los factores contaminantes del agua bruta son determinantes en el diseño de una depuradora y han de ser conocidas de la forma más fiable posible. Los principales parámetros a conocer son:

• Sólidos en suspensión: Corresponden a las materias sólidas de tamaño

superior a 1 µm, independientemente de que su naturaleza sea orgánica o

inorgánica.

• D.B.O.5 (Demanda biológica o bioquímica del oxígeno): Mide la cantidad de

oxígeno que necesitan los microorganismos del agua para estabilizar esa agua

residual, en un periodo normalizado de 5 días. Cuanto más alto es el valor, peor

calidad tiene el agua.

• D.Q.O. (Demanda Química de Oxígeno): Es el oxígeno equivalente necesario

para estabilizar la contaminación que tiene el agua.

• Nitrógeno: Las formas predominantes de nitrógeno en el agua residual son las

amoniacales (amonio-amoniaco), nitrógeno orgánico, nitratos y nitritos.

• Fósforo: Se encuentra presente bien como fósforo total, bien como ortofosfato

disuelto.



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En la siguiente tabla se muestran los valores de los cinco parámetros destacando los dos primeros, Sólidos en suspensión y DBO5, ya que serán los determinantes para el dimensionamiento del digestor anaeróbico.

Dichos parámetros, al igual que la población de diseño, han sido obtenidos directamente de los parámetros de diseño de la depuradora planteada. El caudal necesario para determinar la masa de contaminantes se obtiene en función de los habitantes equivalentes.

Tabla 1: Cargas contaminantes afluente.

Concentración (mg/l) kg. Totales al día

S.S.T 250 26.000

DBO5 400 41.600

DQO 521 78.000

N 60 6.240

P 10 1.040



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2.1.3 Caudal de diseño

En la determinación de la población de diseño se utiliza el concepto de habitante equivalente. El concepto de habitante equivalente está definido en la DIRECTIVA 91/271/CEE como la carga orgánica biodegradable con una demanda bioquímica de oxigeno de cinco días, DBO5, de 60 (gr/hab.eq./día). Se puede entender como una forma de expresar la concentración de la materia orgánica en las aguas residuales de tal forma que se asigna una concentración de contaminación a cada habitante. De esta forma se consigue incluir en la población de diseño todos los contaminantes posibles, ya sean los normalizados para una zona urbana como los posibles contaminantes químicos-industriales. Por lo tanto, la población final de diseño será mayor que la real ya se mayorizan los posibles contaminantes.

Como se menciona en los dos puntos anteriores, se parte de los datos facilitados por Aguas de Jerez. Estos datos son la población equivalente y las cargas contaminantes del agua bruta.

El procedimiento normal sería obtener el valor del caudal medio de diseño a partir de la población real y los datos de consumo del ayuntamiento en los que se supondría que lo que se consume llega a la depuradora. El caudal se obtendría multiplicando una dotación típica de 200 l/hab/dia por el número de habitantes.

En este caso, al darnos los habitantes equivalentes necesitamos calcular el caudal de agua que se necesita para que dadas unas cargas contaminantes determinadas se de servicio a la población equivalente.

En la Tabla 2 se muestran los resultados de diseño obtenidos en la que se añade el valor del caudal medio obtenido a partir del población equivalente y las cargas contaminantes así como la dotación en habitantes equivalentes.

Tabla 1: Caudal de diseño

Población de diseño (hab. eq.) 693.333

Dotación (l/hab. eq./día) 150

Dotación (gr DBO5/Hab.eq/d) 60

Concentración DBO5 400

Q medio (m3/día) 104.000



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2.2. Características del efluente

2.2.1 Directiva sobre tratamiento de aguas residuales urbanas

Las características del afluente vendrán dadas por la normativa vigente DIRECTIVA 91/271/CEE sobre el tratamiento de las aguas residuales urbanas. En los siguientes cuadros mostramos lo dictado por dicha directiva en las páginas 40 a la 52 en los artículos 4 y 5. Se presta especial atención a lo referido al control de los valores de Sólidos en suspensión y DBO5.



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Cuadro 1: Requisitos por los vertidos procedentes de instalaciones de tratamiento de aguas residuales urbanas sujetos a lo dispuesto en los artículos 4 y 5 de la presente Directiva. Se aplicará el valor de concentración o el porcentaje de reducción.

(1) Reducción relacionada con la carga del caudal de entrada.

(2) Este parámetro puede sustituirse por otro: carbono orgánico total (COT) o demanda total de oxígeno (DTO), si puede establecerse una correlación entre DBO 5 y el parámetro sustitutivo.

(3) Este requisito es optativo.

Los análisis de vertidos procedentes de fosos de fermentación se llevarán a cabo sobre muestras filtradas; no obstante, la concentración de sólidos totales en suspensión en las muestras de aguas sin filtrar no deberán superar los 150 mg/l.

Parámetros Concentración Porcentaje mínimo de

reducción (1) Método de medida de

referencia

Demanda bioquímica de oxígeno (DBO 5 a 20 ºC) sin nitrificación (2)

25 mg/l O2 70-90

40 de conformidad con el apartado 2 del artículo 4

Muestra homogeneizada, sin filtrar ni decantar.

Determinación del oxígeno disuelto antes y después de 5 días de incubación a 20 ºC ± 1 ºC, en completa

oscuridad. Aplicación de un inhibidor de la

nitrificación

Demanda química de oxígeno (DQO)

125 mg/L 75 Muestra homogeneizada,

sin filtrar ni decantar. Dicromato potásico

Total de sólidos en suspensión

35 mg/l (3) 35 de conformidad con el apartado 2 del artículo 4

(más de 10 000e-h) 60 de conformidad con el apartado 2 del artículo 4 (de 2 000 a 10 000 eh)

90 (3) 90 de conformidad con el apartado 2 del artículo 4

(más de 10 000 e-h) 70 de conformidad con el apartado 2 del artículo 4 (de 2 000 a 10 000 eh)

— Filtración de una muestra representativa a

través de una membrana de filtración de 0,45 micras. Secado a 105 ºC y pesaje — Centrifugación de una muestra representativa

(durante 5 minutos como mínimo, con una

aceleración media de 2 800 a 3 200 g), secado a 105 ºC

y pesaje.



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Cuadro 2: Requisitos para los vertidos procedentes de instalaciones de tratamiento de aguas residuales urbanas realizados en zonas sensibles propensas a eutrofización tal como se identifican en el punto A. a) del anexo II. Según la situación local, se podrán aplicar uno o los dos parámetros. Se aplicarán el valor de concentración o el porcentaje de reducción.

Parámetros Concentración Porcentaje mínimo de

reducción (1) Método de medida de

referencia

Fósforo total

2 mg/l (de 10 000 a 100 000 e-h)

1mg/l (más de 100 000 e-h)

80 Espectrofotometría de absorción molecular

Nitrógeno total (2)

15 mg/l (de 10 000 a 100 000 e-h) (3)

10mg/l (más de 100

000 e-h) (3)

70-80 Espectrofotometría de absorción molecular

(1) Reducción relacionada con la carga del caudal de entrada.

(2) Nitrógeno total equivale a la suma de nitrógeno Kjeldahl total (N orgánico y amoniacal), nitrógeno en forma de nitrato y nitrógeno en forma de nitrito.

(3) Estos valores de concentración constituyen medias anuales según el punto D.4.c) del anexo I. No obstante, los requisitos relativos al nitrógeno pueden comprobarse mediante medias diarias cuando se demuestre, de conformidad con el punto D.1 del anexo I, que se obtiene en mismo nivel de protección. En ese caso, la media diaria no deberá superar los 20 mg/l de nitrógeno total para todas las muestras, cuando la temperatura del efluente del reactor biológico sea superior o igual a 12 ºC. En sustitución del requisito relativo a la temperatura, se podrá aplicar una limitación del tiempo de funcionamiento que tenga en cuenta las condiciones climáticas regionales.



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2.2.2 Determinación de zonas sensibles y menos sensibles:

A. Zonas sensibles:

Se considerará que un medio acuático es zona sensible si puede incluirse en uno de los siguientes grupos:

Lagos de agua dulce naturales, otros medios de agua dulce, estuarios y aguas costeras que sean eutróficos o que podrían llegar a ser eutróficos en un futuro próximo si no se adoptan medidas de protección. Podrán tenerse en cuenta los siguientes elementos en la consideración del nutriente que deba ser reducido con un tratamiento adicional:

Lagos y arroyos que desemboquen en lagos/embalses/bahías cerradas que tengan un intercambio de aguas escaso y en los que, por lo tanto, puede producirse una acumulación. En dichas zonas conviene prever la eliminación de fósforo a no ser que se demuestre que dicha eliminación no tendrá consecuencias sobre el nivel de eutrofización. También podrá considerarse la eliminación de nitrógeno cuando se realicen vertidos de grandes aglomeraciones urbanas.

Estuarios, bahías y otras aguas costeras que tengan un intercambio de aguas escaso o que reciban gran cantidad de nutrientes. Los vertidos de aglomeraciones pequeñas tienen normalmente poca importancia en dichas zonas, pero para las grandes aglomeraciones deberá incluirse la eliminación de fósforo y/o nitrógeno a menos que se demuestre que su eliminación no tendrá consecuencias sobre el nivel de eutrofización.

Aguas dulces de superficie destinadas a la obtención de agua potable que podrían contener una concentración de nitratos superior a la que establecen las disposiciones pertinentes de la Directiva 75/440/CEE del Consejo, de 16 de junio de 1975, relativa a la calidad requerida para las aguas superficiales destinadas a la producción de agua potable en los Estados miembros (1), si no se toman medidas de protección.

Zonas en las que sea necesario un tratamiento adicional al establecido en el artículo 4 para cumplir las directivas del Consejo.

B. Zonas menos sensibles:

Un medio o zona de agua marina podrá catalogarse como zona menos sensible cuando el vertido de aguas residuales no tenga efectos negativos sobre el medio ambiente debido a la morfología, hidrología o condiciones hidráulicas específicas existentes en esa zona.

Al determinar las zonas menos sensibles, los Estados miembros tomarán en consideración el riesgo de que la carga vertida pueda desplazarse a zonas adyacentes y ser perjudicial para el medio ambiente. Los Estados miembros reconocerán la existencia de zonas sensibles fuera de su jurisdicción nacional.



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Para determinar las zonas menos sensibles se tendrán en cuenta los siguientes elementos:

Bahías abiertas, estuarios y otras aguas costeras con un intercambio de agua bueno y que no tengan eutrofización o agotamiento del oxígeno, o en las que se considere que es improbable que lleguen a desarrollarse fenómenos de eutrofización o de agotamiento del oxígeno por el vertido de aguas residuales urbanas.



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2.2.3 Características finales del efluente

El afluente se sitúa en el Río Guadaléte. Se trata de una zona de tipo A (zona sensible) por lo que fijando las concentraciones del afluente por la citada en la normativa, las cargas contaminantes quedan de la siguiente manera:

Tabla 2: Cargas contaminantes afluente

Rendimientos

(%)

Concentración

(mg/l)

Kg

Totales al dia

Eliminación S.S.T 92,22 35 3938,305

Eliminación DBO5 93,75 25 2813,075

Eliminación DQO 83,33 125 14065,375

Eliminación N 83,33 10 1125,23

Eliminación P 90 1 112,523



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CAPITULO 3: ELEMENTOS FUNCIONALES

En este capitulo se desarrollan los elementos funcionales de una depuradora de aguas residuales. Se trata de realizar una explicación general del proceso completo para enmarcar el contexto y obtener los datos necesarios para el estudio del digestor anaeróbico.

En la primera parte del capitulo se plantea la estructura básica de la depuradora necesaria para cumplir con los requerimientos de la normativa y la estabilización y gestión de los lodos.

La segunda parte realiza una introducción a los elementos de la depuradora necesarios para obtener los datos de partida en el dimensionamiento y análisis energético del digestor anaeróbico.

3.1. Estructura de las instalaciones

3.1.1 Elementos de la línea de agua

De una forma genérica la línea de agua de una depuradora de aguas residuales urbanas está constituida por los siguientes elementos:

• Desbaste

• Pretratamiento:

o Desarenadores – desengrasadotes

• Decantación primaria

• Reactor biológico de media carga

• Decantación secundaría

• Cloración



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Desbaste:

Tiene como objetivo la retención de sólidos gruesos. Consiste en la estalación de rejas o tamices en serie distribuidos en diferentes canales dotados cada uno de ellos de aislamiento por compuertas y sistemas de recogida de residuos.

Pretratamiento: Desarenadores – desengrasadores:

El objetivo de los desarenadotes y los desengrasadores es el eliminar las materias pesadas con tamaño de grano mayor de 200 micras y las grasas, aceites, espumas y materias flotantes mas ligeras evitando que intervengan en procesos posteriores. Se pretende proteger equipos, que pueden ser dañado por procesos abrasivos, y evitar la sedimentación de arenas.

Decantación primaria:

Se trata de eliminar los sólidos en suspensión por medio de la acción de la gravedad. Los sólidos en suspensión se clasifican en sólidos sedimentadles, flotantes y sólidos coloidales.

En este proceso se extraerán gran cantidad de los sólidos en suspensión y por arrastre de estos también se produce una notable eliminación de DBO5.

Reactor biológico de media carga

Consiste en un espacio en el que se convierte la materia orgánica disuelta en flóculos y en sólidos orgánicos, ambos productos sedimentables en el decantador secundario.

Decantación secundaría:

Elemento complementario del reactor biológico destinado a sedimentar los productos generados en dicho proceso.

Cloración:

Proceso de desinfección previo al afluente. Consiste en añadir hipoclorito de sodio al agua clarificada del decantador secundario.



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3.1.2 Elementos de la línea de fangos

La línea de fangos tiene como principal función el acondicionamiento de los fangos extraídos en la línea de aguas. Una vez mezclados los fangos, originados en la decantación primaria y en el reactor biológico-decantación secundaria, estos son estabilizados en el digestor anaeróbico eliminando los patógenos extraídos de la línea de aguas. Tras la digestión de los fangos, se realiza un proceso de acondicionamiento de los mismos para su posterior deshidratación y transporte.

Así pues, los elementos que constituyen la línea de fangos son los siguientes:

• Espesamiento por gravedad

• Flotación por flotación

• Mezclado de fangos

• Digestión anaeróbica: estabilización de fangos

• Acondicionamiento de fangos

• Deshidratación

Proyecto de fin de carrera Curso 2011 - 2012 Jorge Jesús Pérez Pichel __________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

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Ilustración 1: Esquema funcional de la depuradora

Proyecto de fin de carrera Curso 2011 - 2012 Jorge Jesús Pérez Pichel ______________________________________________________________________________________________

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3.2. Justificación datos de partida

Para el diseño del digestor anaeróbico, objeto del proyecto, es necesario obtener el caudal y concentración de los fangos de llegada al digestor a partir de las cargas contaminantes del efluente y de la normativa vigente.

Así pues, es necesario estudiar los procesos intermedios que intervienen lo cuales se enumeran a continuación:

• Línea de aguas:

o Decantación primaria

o Reactor biológico

• Línea de fangos:

o Espesado por gravedad

o Espesado por flotación

o Fangos mixtos


Curso 2011 - 2012 Jorge Jesús Pérez Pichel

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3.2.1 Decantación primaria

En la decantación primaria se van a retirar los sólidos en suspensión, sólidos sedimentables, flotantes y parte de los sólidos coloidales, mediante la acción de la gravedad. Los sólidos sedimentan rápidamente por efecto de la gravedad. En esta este proceso, se arrastran elementos biológicos eliminando una gran cantidad de DBO5.

Los rangos de eliminación de sólidos en suspensión y de DBO5 [4] se encuentran entre el el 50 y el 70 % para sólidos en suspensión y entre el 25 y el 40 % para DBO5 para decantadores correctamente dimensionados y explotados.

Para el cálculo de la masa de fangos obtenidos en el decantador primario, se suele considerar al menos tres sumandos [4]:

• Peso total de fangos producidos por eliminación o decantación de sólidos en

suspensión

+

• Peso de fangos producidos por precipitación química (Habrá de calcularse en

función de los elementos que se hayan pretendido eliminar (fósforo por

ejemplo)).

+

• Retorno de fangos biológicos en exceso (Se obtendrán en el estudio del

biológico).

En el caso concreto que nos atañe, la adición de fangos por precipitación química y los fangos en exceso retornados se van a considerar nulos al no ser objeto del posterior análisis.



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Por otro lado, los fangos retenidos en el decantador se obtienen a partir del peso de sólidos en suspensión de entrada en la depuradora, valor obtenido en el ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia., al que se le aplica un rendimiento de eliminación de sólidos en suspensión del 60%, valor que está dentro de márgenes citados anteriormente. Los resultados se resumen en la siguiente tabla.

Tabla 3: Fangos retenidos en decantador 1º

Para el posterior cálculo de la masa de fangos en exceso producidos en el reactor biológico, es necesario obtener los valores relacionados con la concentración de DEO5.

El rendimiento fijado de eliminación de DBO5 es del 30%. A partir del peso diario de entrada de DBO5 al día se obtiene, multiplicando por 0,3, el peso de DBO5 retenido en los fangos, y en consecuencia, el peso de DBO5 en agua destinada al tratamiento biológico.

La concentración de DBO5 del agua destinada al tratamiento biológico se obtiene del cociente entre el peso de DBO5 en agua a tratamiento biológico y el caudal de agua a tratar.

En la siguiente tabla se resumen los resultados obtenidos

Tabla 4: Concentraciones DBO5 en decantación 1º

Peso diario de entrada (kg/día) 26.000

Fangos retenidos (kg/día) 15.600

Adición de fangos por F.Q. (kg/día) 0

Fangos en exceso retornados (kg/día) 0

Fangos totales retenidos (kg/día) 15.600

Peso DBO5 diario de entrada (kg/día) 41.600

Peso DBO5 retenido (kg/día) 12.480

Peso DBO5 en agua a T. Biolg. (kg/día) 29.120

Concent. en DBO5 agua a T. Biolg. (mg/l) 280



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Por otro lado, también es necesario determinar el peso de sólidos en suspensión así como la concentración de SS con destino el reactor biológico:

Peso de SS diario de entrada (kg/día) 26.000

Fangos totales retenidos (kg/día) 15.600

Peso en S.S. en agua a T. Biolg. (kg/día) 10400

Concent. en SS agua a T. Biolg. (mg/l) 100

Tabla 5: Concentraciones sólidos en suspensión a T. Biológico



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3.2.2 Reactor biológico

Teniendo en cuenta que la concentración de DBO5 tras la decantación primaria asciende a 280 mg/l y que el caudal de agua a tratar es de 104.000 m3/dia, la carga diaria de DBO5 a tratar será de 29.120 Kg/dia.

Por otro lado, si la concentración final, concentración del efluente, se marca por la normativa en 25 mg/l, la carga aguas arriba de planta es de 2.600 Kg/dia cumpliéndose así la DIRECTIVA 91/271/CEE.

En la siguiente tabla se muestran las cargas contaminantes entrantes y finales del proceso necesarias para el cálculo de la masa de fangos en exceso.

Tabla 6: Cargas contaminantes de entrada y salida al reactor biológico

La CM viene representada por el cociente entre la cantidad de DBO que se introduce en el sistema por día y la masa de microorganismos existentes en el reactor. Es la relación entre alimentación por día (materia orgánica biodegradable) que entra en el reactor y biomasa que se tiene en el sistema.

Como se muestra en la bibliografía [4] los diferentes procesos biológicos se pueden clasificar en función de la carga másica de la siguiente manera:

• Alta carga, cuando CM > 0,5.

• Media carga, para CM entre 0,5 y 0,2.

• Baja carga, cuando CM< 0,2.

Concentración

(mg/l)

Carga diaria

(Kg/dia)

Rendimiento

proceso (%)

SS entrada r. biológico 100 10.400 -

DBO5 entrada r. biológico 280 29.120 -

SS salida r. biológico 35 3.640 65

DBO5 salida r. biológico 25 2.600 91,07



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- 34 -

Por otro lado, la relación existente entre la carga másica y el rendimiento del proceso en aguas tipo urbano o similares, viene reflejado en la tabla incluida a continuación.

Tabla 7: Relación rendimiento proceso y CM

Así pues, interpolando en la Tabla 7: Relación rendimiento proceso y CM con el valor del rendimiento del proceso de eliminación de DBO5 (Tabla 6: Cargas contaminantes de entrada y salida al reactor biológico) obtenemos una carga másica de 0,25 (Kg DBO/d) / Kg MLSS. Según la clasificación dada en la bibliografía corresponde a un reactor biológico de media carga.

El conocimiento de la producción diaria de fango es importante puesto que afecta al diseño de las instalaciones de tratamiento y evacuación del fango en exceso (purga).

Una parte de la materia orgánica eliminada por el sistema se utiliza en la síntesis de nuevos microorganismos, lo que supone la generación de sólidos en suspensión, eliminados como fangos en la decantación secundaria y que para mantener el sistema en equilibrio hay que purgar del sistema.

Los fangos a purgar diariamente coinciden con la biomasa generada en dicho periodo de tiempo, una vez que el sistema está en equilibrio.

Rendimiento proceso CM

(%) (Kg DBO/d) / Kg MLSS

87 0,5

88 0,4

90 0,3

92 0,2

93 0,1

94 0,01



_________________________________________________________________________________________________

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La cantidad de fangos a purgar, puede determinarse mediante la fórmula empírica de Huisken, que se indica a continuación:

23,02,1)/( CMdKgIPF ×=

Donde:

IPF = Índice producción de fangos teórico (Kg fangos/Kg DBO5 eliminados)

CM = Carga másica

Finalmente los fangos en exceso obtenidos en el proceso biológico se pueden obtener con la siguiente expresión:

( )DBOsDBOeIPFAdiaKgFE −×=)/(

Donde:

FE = Fangos en exceso (Kg/día).

IPFA = Índice producción de fangos adoptado (Kg fangos/Kg DBO5 eliminados).

DBOe = DBO5 de entrada del reactor.

DBOs = DBO5 de salida del reactor.

Los resultados finales se muestra en la siguiente tabla:

Tabla 8: Fangos en exceso destinados al espesador

Indice producción de fangos teóricos (Kg fangos/Kg DBO5 elim) 0,87

Indice producción de fangos adoptado (Kg fangos/Kg DBO5 elim) 0,90

Fangos en exceso (Kg/día) 23.868



_________________________________________________________________________________________________

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COMPROBACIÓN CARGAS CONTAMINANTES

Como ya se ha indicado en el apartado anterior, el dimensionamiento del reactor biológico se realiza teniendo en cuenta el rendimiento determinado a partir de la DIRECTIVA 91/271/CEE. Por esa razón aseguramos los resultados en lo que a Sólidos en suspensión y DBO5 se refiere. El resto de contaminantes no se analizan al no participar en la obtención de los datos de partita para el posterior dimensionamiento del reactor anaeróbico objeto del proyecto.

Tabla 9: Cargas contaminantes en salida de planta

PRODUCCIÓN TOTAL DE FANGOS

Finalmente, los fangos provienen de los dos procesos de la línea de aguas: Decantador primario (fangos primarios) y proceso biológico (Fangos Biológicos) son los siguientes.

Tabla 10: Producción de fangos

Rendim. Concentración Salida Planta

% mg/l Kg/día (Qm)

Eliminación SS 65 35 3.640

Eliminación DBO5 91,07 25 2.600

Kg Fangos retenidos en D1º (Kg/día) 15.600

Kg Fangos Biológicos en Exceso (Kg/día) 23.868



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3.2.3 Espesamiento

Los fagos obtenidos en la decantación primaria y en el proceso biológico se caracterizan por unas concentraciones en sólidos en suspensión muy bajas. Al poseer bajas concentraciones los volúmenes de trabajo en la digestión y posteriores trabajos de acondicionamiento serían muy grandes.

Con el fin de disminuir dichos volúmenes se realiza un proceso de espesamiento (por flotación o gravedad) en el que se concentran los lodos. Como se verá en posteriores capítulos, la disminución del volumen está directamente relacionada con la disminución de necesidades energéticas en el digestor anaeróbico por calentamiento de fangos.

Otras ventajas del proceso de espesamiento son la disminución del consumo de productos químicos previos a la estabilización y la mejora de los rendimientos del proceso de deshidratación.

En las plantas urbanas de gran tamaño, los fangos procedentes de decantación primaria se espesan por gravedad, mientras que los fangos biológicos lo hacen por flotación.

ESPESADO POR GRAVEDAD

Los fangos destinados al proceso de espesamiento son aquellos que provienen de la decantación primaria. El proceso de espesado por gravedad guarda numerosas similitudes con los tanques de sedimentación convencionales (decantación primaria). El fango sedimenta y compacta en tanques circulares siendo extraído por la parte inferior del tanque.

El proceso consiste en remover el fango lentamente mediante unos rascadores que realizan unos canales que favorecen a la densificación. Se produce un sobrenandante que se recircula al decantador primario o al afluente.

El digestor anaeróbico tiene unas necesidades concretas de fango, es decir, suele ser necesario un caudal constante de fangos por lo que el fango extraído del espesado se bombea a un tanque de almacenamiento previo en el que se mezclará con los fangos espesados por flotación.

Del decantador primario se extraen un total de 15.600 Kg/dia (valor obtenido en el apartado 3.2.1). Conociendo la concentración de fangos, valor que suele estar entre el 5% y el 8%, se puede calcular el volumen de fango espesado por gravedad.



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En los cálculos se ha optado por un valor de concentración típico del 4% que pasado a mg/l es de 40000 mg/l. Finalmente, aplicando la Ecuación 1 se obtiene un volumen de fangos de salida del espesador por gravedad de 390 (m3/día).

1000)/(_

)/(º1__._ ×

=

lmgfangosiónConcentrac

díaKgDretenidosFangosKgsalidaVol

Ecuación 1

ESPESAMIENTO POR FLOTACIÓN

Los fangos tratados por flotación provienen del Tratamiento Biológico. El proceso consiste en introducir aire a una determinada presión en la solución. Al despresurizar la solución el aire disuelto se libera en forma de burbujas arrastrando el fango hasta la superficie.

La masa de fangos a tratar por flotación, valor calculado en el apartado 3.2.2, es de 23.868 Kg/dia.

Para cálculos posteriores será necesario obtener el volumen de fangos obtenidos. Se necesita fijar la concentración de fangos a la salida del proceso de flotación el cual varía entre el 3% y el 3.5%. Asumiendo una concentración dentro del rango del 3% (30.000 mg/l) se obtiene aplicando la Ecuación 1 un volumen de fangos de salida de 796 (m3/dia).

En la siguiente tabla se muestra un resumen de los resultados obtenidos en el proceso de espesamiento de fangos.

Tabla 11: Tabla resumen espesamiento

Total de fangos a espesamiento (Kg/día)

Por gravedad

15.600

Por flotación

23.868

Concentración de fangos espesados (%) 4,00 3,0

Concentración de fangos espesados (mg/l) 40.000 30.000

Volumen de salida (m3/dia) 390 796



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3.2.4 Mezcla de fangos mixtos

Para el posterior dimensionamiento y estudio energético del digestor anaeróbico (principal objetivo del proyecto desarrollado) es necesario determinar el caudal final de fangos a digerir, siendo este la suma de los obtenidos en el espesamiento por gravedad y flotación, y la masa de fangos orgánicos totales que llegan al digestor.

Como se desarrollará en el apartado de producción de gas metano, es importante obtener la masa de materia volátil (fangos orgánicos) ya que será a partir de la estabilización de los fangos orgánicos se obtiene biogás.

Así pues, es necesario fijar las concentraciones de materia volátil de los fangos espesados por gravedad y por flotación respectivamente.

Respecto al espesamiento por gravedad, el porcentaje de materia orgánica contenida en los fangos varía entre el 60 y 70%. Por el contrario, los fangos espesados por flotación contienen entre un 70 y 80% de materia orgánica. En el proyecto se asumirá concentraciones del 60% y 80% fangos orgánicos espesados por gravedad y por flotación respectivamente.

Además, como se verá en la Tabla 12, la concentración de los fangos mixtos obtenida está dentro de los valores tabularos en la bibliografía entre 65 y 75% de materia orgánica.

Proyecto de fin de carrera Curso 2011 - 2012 Jorge Jesús Pérez Pichel

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Tabla 12: Resultados mezcla de fangos

F. espesados por Gravedad F. espesados por Flotación F. mixtos

Peso de fangos espesados (Kg/día) 15.600 23.868 -

% Mv en fangos espesados 60,00 80,00 72

Fangos orgánicos en fangos espesados (Kg/m3) 9.360 19.094 28.454,4

Caudal de fangos espesados (m3/día) 390 796 1.185,6

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CAPITULO 4: DESCRIPCIÓN DEL PROCESO ANAERÓBICO

4.1. Objetivos del proceso Anaeróbico

Los fangos extraídos de la línea de aguas o las aguas residuales con una alta carga de contaminantes se caracterizan por una alta concentración de materia orgánica. El proceso anaeróbico estabiliza los fangos convirtiéndolos en un producto preparado par su transporte. Por otro lado, la digestión anaeróbica elimina los numerosos patógenos presentes en los fangos.

Las principales ventajas e inconvenientes se enumeran a continuación [4].

Ventajas:

• Facilita la deshidratación.

• Producción de biogás utilizado como combustible.

• Proceso desarrollado en tanques cerrados evitando la presencia de olores.

• Eliminación de patógenos.

Inconvenientes:

• Instalación más cara.

• Proceso sensible a los factores ambiéntales.

• Altos tiempos de retención



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4.2. Microbiología del proceso

El proceso anaeróbico se caracteriza por la dificultad en controlar las diferentes inercias químicas. Se producen tres fases consecutivas de degradación en la que intervienen cinco poblaciones de microorganismos diferentes. La citada dificultad en el control de inercias reside en las diferentes velocidades de crecimiento de los microorganismos y el los diferentes comportamientos a los cambiantes estados químicos del entorno. Las tres fases del proceso de estabilización son las siguientes:

• Hidrólisis: Se produce la transformación de compuestos de elevado peso

molecular en compuestos que pueden servir como fuentes de energía siendo

el producto final ácidos orgánicos volátiles.

• Acidogénesis: Conversión bacteriana de los compuestos producidos en la

primera etapa en compuestos intermedios identificables de menor peso

molecular.

• Metanogénesis: Conversión bacteriana de los productos intermedios en

productos finales más simples, produciendo por un lado una gasificación en

la que se emite dióxido de carbono y metano y por otro mineralización, en la

que la materia orgánica soluble es también descompuesta obteniéndose un

producto final inerte.



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Por otro lado, las bacterias que intervienen en el proceso son las siguientes:

1. Bacterias formadoras de ácido

2. Bacterias acetogénicas

3. Bacterias homocetogénicas

4. Bacterias hidrogenofilicas

5. Bacterias acetoclasticas

La siguiente figura muestra la microbiología del proceso indicando los puntos en los que actúan las bacterias.

Ilustración 2: Puntos de actuación de las bacterias



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4.3. Producción de metano

Previamente, se debe convidar que la DQO es un parámetro conservativo: lo que entra debe ser igual a la suma de las DQO de salida. Es decir:

DQObiogáseDQOefluentluenteDQO +=inf

El proceso de digestión produce biogás. Dicho biogás se compone por metano (CH4) y por dióxido de carbono (CO2). Sabiendo que la DQO del CO2 es cero, la DQO que se elimina en el digestor corresponde a la DQO generada como metano, lo cual significa 2,857 kg DQO por m3 CH4, ó 0,35 m3 de CH4 por kg de DQO eliminada, a P=1 at y T=oC, ó 0,38 m3 de CH4 a P=1 at y 25oC.

La producción de metano presenta una clara ventaja frente a los procesos aeróbicos. La generación energética correspondiente al metano es de 3,5 KWh por cada kg de DQO eliminada. Por otro lado, los procesos aeróbicos necesitan consumir 1KWh por Kg de O2 consumido.

Así pues, la producción de biogás va a estar determinada por la cantidad de gas producido por Kg de sólidos volátiles eliminados y por la reducción de sólidos volátiles. Como ya se ha mencionado el volumen producido de gas por Kg de sólidos volátiles eliminado varía entre 750 y 1120 l/Kg



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4.4. Digestores anaeróbicos:

Ya sea por su sencillez o por su versatilidad, los tres tipos de digestores más importantes son los siguientes:

• Digestión convencional

• Digestión de una fase y alta carga

• Digestión en dos fases

El digestor a destacar por su importancia en el proyecto es el digestor en dos fases. Se trata de un digestor combinado con un segundo tanque de digestión en serie. El primer tanque se emplea como digestor principal en el que se produce la mayor parte de la estabilización. El segundo digestor desempeña funciones digestivas, control de condiciones fangos y de almacenamiento de biogás. El segundo tanque permite la obtención de un sobrenadante clarificado que es bombeado aguas debajo de la depuradora. Normalmente, ambos digestores se dimensionan idénticos con el fin de emplear uno u otro en el caso de mantenimiento o avería.

La digestión convencional consiste en realizar todo el proceso digestivo en una fase, es decir, los fangos se digieren, se espesan y se forman sobrenandantes a la vez. El proceso inicia con la introducción del los fangos crudos en la zona activa del digestor. El gas producido en la digestión asciende arrastrando partículas de fangos y otros materiales. Se presentan una serie de inconvenientes tales como la estratificación del proceso. Junto a este fenómeno, la ausencia de mecanismos de mezclado dificultan el control de la digestión resultando un modelo desechado.

Por último, la digestión de una fase y alta carga se diferencia del convencional en la carga de sólidos a controlar. Con el aumento de las cargas contaminantes se precisa sistemas de mezclado por medio de gas.

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4.5. Parámetros ambientales y operacionales a controlar

En el proceso biológico descrito en el punto anterior se producen una serie de reacciones que en ausencia de oxigeno se ven influenciadas por factores ambientales y factores de operación. Dichos factores determinarán las condiciones de funcionamiento del digestor y su eficiencia.

Parámetros ambientales:

• pH.

• Alcalinidad.

• Potencial Redox.

• Nutrientes.

• Tóxicos e inhibidores.

Parámetros operacionales:

• Temperatura.

• Agitación.

• Tiempo de retención.

• Velocidad de carga orgánica.

A continuación se desarrollan los cuatro parámetros más importantes para el proyecto analizando su importancia en el proceso.



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4.5.1 La importancia del pH:

Para el correcto desarrollo del proceso de digestión es importante mantener un equilibrio entre las actividades de las dos poblaciones bacterianas (producción y consumo de ácidos).

Realizando la citada distinción entre los dos tipos de bacterias presentes en el proceso de digestión (bacterias formadoras de metano y las formadoras de ácidos) hay que buscar el equilibrio controlando el pH de la mezcla. Las bacterias formadoras de metano se caracterizan por un pH óptimo comprendido entre 6,8 y 7,4 aunque admite valores funcionales entre 6,8 y 7,8. Es importante resaltar que para valores de pH inferiores a 6,2 el desarrollo bacteriano se inhibe totalmente. Así pues, es importante controlar la presencia de elementos inhibidores en el proceso.

Por otro lado, las bacterias formadoras de ácidos se desarrollan en valores de pH más amplios y actúan como inhibidores de las formadoras de metano al provocar un descenso del valor de pH.

4.5.2 Los Nutrientes

Las aguas residuales a estabilizar se caracterizan por una composición orgánica compleja imposibilitando actuar sobre ellas para controlar la alimentación bacteriana. Para asegurar el alimento de las bacterias es necesario actuar sobre la concentración de las aguas entrantes y sobre la frecuencia de entrada en el digestor. Para ello se realiza un proceso de realimentación en el que los lodos sobrantes en el segundo deposito se recirculan a entrada del digestor manteniendo constante la cantidad de nutrientes. Además la recirculación de lodos supone un descenso exponencial de la carga contaminante.



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4.5.3 Temperatura y tiempo de retención

El tiempo de retención es el cociente entre el volumen y el caudal de tratamiento, es decir, el tiempo medio de permanencia del influyente en el reactor, sometido a la acción de los microorganismos [1]. Notar que existe un tiempo mínimo por debajo del cual el reactor no presenta actividad, que la eliminación de materia orgánica sigue una tendencia asintótica, con una eliminación completa a tiempo infinito, y una producción de gas por unidad de volumen de reactor con un máximo para un tiempo de retención correspondiente a una eliminación de substrato entre el 40 y el 60%.

La temperatura está estrechamente relacionada con el tiempo de retención. Las tasas de crecimiento aumentan con el aumento de la temperatura. El problema reside en el aumento de la sensibilidad de las bacterias a los inhibidores como el amoniaco. Los rangos de temperatura en los que se puede trabajar son:

• Psicrofílico (temperatura ambiente).

• Mesofílico (temperaturas en torno a los 35 oC).

• Termofílico (temperaturas en torno a los 55 oC).



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4.5.4 Agitación o mezclado:

Ya se ha mencionado la necesidad de mantener un entorno constante dentro del digestor. Para lograrlo es necesario transferir al sistema el nivel de energía necesario para favorecer la transferencia de alimento a las bacterias y mantener constantes las concentraciones medias bajas de inhibidores manteniendo un fango homogéneo.

4.5.5 Otros parámetros:

Respecto a los cinco parámetros restantes, las principales características son las siguientes:

• Velocidad de carga orgánica: Es la cantidad de materia orgánica introducida

por unidad de volumen y tiempo. Valores bajos implican baja concentración

en el influente y/o elevado tiempo de retención.

• Tóxicos e inhibidores: su concentración ha de ser la mínima posible.

• Alcalinidad: Hay que asegurar la capacidad tampón y evitar la acidificación.

Es recomendable una alcalinidad superior a 1,5 g/l CaCO3.

• El Potencial Redox: Los valores recomendables deben ser inferiores a -350

mV.



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CAPITULO 5: DISEÑO DEL PROCESO ANAERÓBICO

5.1. Introducción

Los conceptos y conocimientos descritos hasta ahora no eran conocidos en el pasado. Por esa razón, la forma tradicional de diseño de los digestores a sido empleando los siguientes métodos empíricos en los que el objetivo es obtener el volumen necesario del tanque de digestión.

1. Uso de factores de carga volumétricos.

2. Reducción de volumen.

3. Factores de carga basados en la población

4. Tiempo medio de retención celular.

Las depuradoras que tratan aguas industriales fuertemente cargadas deben ser diseñadas a partir de la carga másica de diseño y de la carga orgánica que llega al digestor, el cual se sitúa en la línea de aguas o en la de fangos en función de su relación DBO5 – DQO.

Por otro lado, dada la experiencia existente en el tratamiento de aguas residuales urbanas, el diseño del digestor anaeróbico de este tipo de depuradoras debe partir del tiempo de retención.

Tiempo medio de retención celular.

Considerando que las bacterias necesitan un determinado tiempo para reproducirse y adaptar su población a la cantidad de materia orgánica que entra en el digestor manteniendo la actividad del mismo, se considera el tiempo de retención como un parámetro fundamental a tener en cuenta.

Así pues, podemos definir el tiempo de retención como el tiempo que la masa de microorganismos permanece en el sistema. Como se puede ver en la siguiente expresión, se determina dividiendo el total del volumen del digestor entre la cantidad de sólidos que se extraen en la unidad de tiempo [2].



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QfsTrVd ×=

Siendo:

Vd = Volumen de digestión (m3).

Tr = Tiempo de retención de sólidos.

Qfs = Caudal de fango a digerir (sólidos extraídos de la línea de aguas por unidad de tiempo).

Como veremos en el punto siguiente, el tiempo de retención de sólidos oscila, trabajando en régimen mesofílico, entre 30 y 60 días para digestión convencional y entre 15 y 20 días para digestión de alta carga como es el caso planteado en el proyecto.

Una vez planteados los conceptos teóricos, se pueden fijar las bases de diseño en función a las cuales se justificarán las decisiones tomadas y se analizarán los factores determinantes en la producción de biogás y en el aprovechamiento energético.

En los siguientes puntos, se desarrollan las normas de diseño estandarizadas para el tratamiento de fangos extraídos de aguas residuales urbanas. Por otro lado, en el siguiente capitulo se realiza la parametrización del digestor incluyendo el estudio de producción energética en exceso.



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5.2. Normas de diseño

En el proceso de estabilización de fangos procedentes de aguas residuales urbanas se suele emplear digestores de mezclar completa o alta carga. Generalmente se emplean dos etapas como se describe a continuación:

• Primera etapa (digestor primario): Digestor de mezcla completa, con sistemas de agitación y calentamiento de fangos. Se suele eliminar el 90% de los sólidos volátiles eliminados en el proceso completo.

• Segunda etapa (digestor secundario): Su función es la de finalizar el proceso

de digestión eliminando el resto de sólidos volátiles, espesado de los lodos y la extracción de líquido clarificado, el cual se retorna a la línea de aguas. Carece de agitación y calefacción y se suele emplear como almacenamiento de fango y gas gracias a la instalación de techo flotante.

El dimensionamiento del proceso digestivo cuenta con una importante cantidad de parámetros y características constructivas a controlar. Dada la gran experiencia en el diseño de plantas de depuración de aguas residuales urbanas, se pueden fijar algunos de estos parámetros de forma estandarizada dependiendo del país o zona geográfica. A continuación se describen las bases de diseño más importantes las cuales son coherentes con la teoría descrita en el CAPITULO 4.

Los parámetros fijados a destacar son los siguientes. Se trata de valores obtenidos en la bibliografía [4].

• Temperatura. 34 -38°C (asumimos 35ºC)

• Tr hidráulica digestor primario 20 días (experiencia)

• Tr hidráulica digestor secundario 6-10 días

• Nº de intercambiadores = número de digestores + 1

• Nº de calderas = dos calderas con capacidad mayorizada en un 25%.

• Generación de gas: 900 l/Kg de VSS eliminados

• Eliminación sólidos volátiles 45-50%

• Poder calorífico del biogás 5.000-5.500 Kcal/m3



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Tiempo de retención y temperatura de digestión: Como se ha indicado, el tiempo de retención hidráulico para un digestor que trabaje a una temperatura entre 34 y 38°C (régimen mesofílico) es de 20 días para el primario y de 6 días para el secundario.

Es habitual el empleo de digestores secundarios en los que se realiza la misma instalación de sistemas de agitación, calefacción, etc. que permita su utilización como primario en caso de que uno de estos se encuentre fuera de servicio.

Intercambiadores: Se utilizará un cambiador de calor principal (para calentamiento del fango de alimentación al sistema de digestión) y tantos intercambiadores secundarios como digestores (para compensar las perdidas de calor a través de las paredes del equipo y circuitos).

Calderas: El número de calderas a instalar será de dos y con una capacidad mayorada entre un 20 y un 30% de las necesidades energéticas reales.

Generación de gas y eliminación de sólidos volátiles: Se trata de valores típicos basados en la experiencia. En el capitulo siguiente se expondrá sus características.

Por otro lado, se presenta dos límites constructivos

• Alturas de digestor de hasta 20 m.

• Diámetros de digestor de 20 a 35m.

A demás, tras el estudio de diversa bibliografía y observación de otros proyectos construidos se determina unos límites aproximados de capacidad térmica para intercambiadores y calderas de 375000 Kcal/h y 700000 Kcal/h respectivamente.

Finalmente, la parametrización deja dos grados de libertad con el fin de maximizar la eficiencia energética partiendo de las características contaminantes del afluente.

• Nº de digestores

• Posibilidad aislar las paredes del digestor.

Como se verá en el Capitulo 6, estos dos parámetros influyen directamente en todos los valores del diseño. Por esa razón, la parametrización debe hacerse teniendo en cuenta los balances energéticos para comprobar si es preciso el aislamiento de los digestores, y en consecuencia disminuir las perdidas de calor de los mismos, y determinar el número de digestores a instalar.



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Otras normas de diseño a tener en cuenta pero menos determinantes en la parametrización son las siguientes [4].

• Los digestores son tanques cerrados, en España habitualmente de forma cilíndrica y de mayor diámetro que altura, construidos en hormigón. Generalmente se construye enterrados en el suelo. La profundidad del líquido no debe ser inferior a 7,5 m, y puede llegar a ser de 14 m o más. La cubierta debe ser de forma troncocónica o en forma de cúpula. Respecto al fondo del tanque, este debe tener forma cónica con pendiente hacia el cuenco de extracción de fangos para minimizar la acumulación de arenas y para reducir las necesidades de limpieza de los digestores. Si son de pequeño tamaño se pueden construir en acero al carbono, en este caso deberán disponer de aislamiento para evitar pérdidas importantes de calor.

• Se deben controlar los parámetros descritos en el Capitulo 3. De estos valores

depende la viabilidad y la actividad del proceso digestivo. En el laboratorio se controlas la alcalinidad, ácidos volátiles, concentración de sólidos en suspensión, etc. En la propia planta se deben controlar el nivel de fangos, presión, temperatura, pH, etc..

• Las cubiertas de los digestores dependerán de su utilidad. La cubierta de los

digestores primarios será fija al no cumplir funciones de almacenamiento. Por lo contrario, los digestores secundarios cuentan con cubierta flotante con el fin de almacenar fangos y gas.

Dado que la planta depuradora en estudio es de grandes dimensiones, se introduce un sistema de aprovechamiento energético del gas en exceso. A demás de lo citado con anterioridad, las bases de diseño respecto al proceso de recuperación de energía son las siguientes [4].

• Sistema de utilización de combustible alternativo al biogás para la puesta en marcha o funcionamiento cuando por fallo en el sistema no se genere gas o bien no disponga de la calidad precisa.

• En plantas muy grandes el gas se puede emplear en motogeneradores, obteniendo energía eléctrica, y aprovechado el calor de refrigeración y de los gases de escape para calefacción de los digestores.



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CAPITULO 6: PARAMETRIZACIÓN DEL DIGESTOR

6.1. Análisis previo

Como ya se planteó en el Capitulo 5, la parametrización completa del digestor está condicionada por una serie de normas de diseño y por unos valores límite constructivos.

Partiendo de dichos parámetros, además de los establecidos por el efluente, se busca obtener un valor máximo de biogás producido. Para ello se cuenta con dos grados de libertad: el número de digestores y la conveniencia de aislar el digestor.

La posibilidad de aislar el digestor diminuyendo las perdidas producidas en las paredes del mismo mejoraría la eficiencia del sistema por lo que las necesidades de calor disminuirían notablemente y en consecuencia aumentaría el volumen de gas producido. Como se verá en el apartado 6.4.5, en el que se evalúa la producción de gas en exceso, las necesidades de calor y la producción de gas del digestor aislado respecto al no aislado son notorias.

El otro grado de libertad a estudiar es el número de digestores empleados. De este parámetro dependen todos los valores de diseño del digestor. De su influencia se destacan varios aspectos:

1. El número de digestores determina el volumen unitario de los digestores y en consecuencia, el diámetro de los mismos dada una altura fija.

2. Al aumentar el número del número de digestores implica un aumento de la superficie de total de contacto con el exterior, en consecuencia, un aumento del número de digestores aumenta las pérdidas por transferencia de superficies bajando la producción de biogás.

3. El aumento de perdidas supone que un aumento en el número de digestores implica calderas e intercambiadores mayores.

Una vez realizada la parametrización del digestor se determina que el número de digestores a instalar es de 3 o 4. Las características de las calderas y de los intercambiadores no varían lo suficiente como para ser determinante. Por el contrario, las características constructivas del digestor, así como la producción de gas, sí se ven afectadas en consideración.

Por otro lado, observando diversa bibliografía se determina que los valores obtenidos para 4 digestores son más coherentes. Así pues, se opta por fijar el número de digestores en 4 e introducir un aislamiento al digestor.



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Independientemente del número de digestores, la instalación de aislamiento al digestor hace viable el proyecto al conseguir unos resultados de producción de biogás acordes con los límites constructivos.

6.2. Dimensionamiento del digestor

En la taba siguiente se muestran los valores normalizados u obtenidos en capítulos anteriores necesarios para la obtención del volumen total de digestión.

Tabla 13: Datos diseño digestor

Aplicando como método de cálculo del volumen de digestor el “Tiempo medio de retención celular.”, el volumen total de fango a digerir queda determinado por la multiplicación del tiempo de retención del fango (10 días) y el caudal de fango a digerir.

QfsTrVd ×=

Siendo:

Vd = Volumen de digestión (m3).

Tr = Tiempo de retención de sólidos.

Qfs = Caudal de fango a digerir (sólidos extraídos de la línea de aguas por unidad de tiempo).

Temperatura de Digestión (ºC) 35

Tiempo de retención (Dias) 20

Altura del digestor (m) 20

Volumen de fangos a digestión (m3/día) 1.185,6



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Una vez fijado el número de digestores, el volumen unitario y las dimensiones geométricas están determinadas con la seguridad del cumplimiento del resto de restricciones.

Tabla 14: Dimensiones de los digestores

Volumen de digestión Total(m3) 23712

Volumen unitario de Digestión (m3) 5928

Altura de Digestor (m) 20

Superficie de Digestor (m2) 296,4

Radio Digestor (m) 9,71

Diámetro Digestor (m) 19,43



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6.3. Producción de gas

A partir del porcentaje de eliminación de sólidos volátiles producida en la digestión anaeróbica, se puede calcular la producción de biogás en la digestión. El volumen de gas generado por Kg de sólidos volátiles eliminado suele estar entre 750 y 1120 l. La producción de gas no será constante y dependerá del contenido de sólidos volátiles del fango crudo y de la actividad biológica del digestor. Un momento critico en lo que a producción de gas se refiere, es la puesta en marcha del sistema. En ella, se puede producir una excesiva producción de biogás causando la formación de espumas que salen al exterior junto al gas por los bordes de las cubiertas flotantes.

Otra forma de calcular la producción de gas es por medio de una relación empírica aproximada, en base a la aportación por habitante, en la que se establece una producción de entre 15 y 22 m3 de gas por cada 1000 habitantes al dia. Según este criterio el biogás producido será aproximadamente 10.368 m3/día.

Así pues, la producción de biogás va a estar determinada por la cantidad de gas producido por Kg de sólidos volátiles eliminados y por la reducción de sólidos volátiles. Como ya se ha mencionado el volumen producido de gas por Kg de sólidos volátiles eliminado varía entre 750 y 1120 l/Kg. Se asume un valor medio de 900 l/Kg. Por otro lado, como se puede ver en el capitulo anterior, la reducción de sólidos volátiles suele estar entre el 45 y el 50%.

Además, es necesario conocer la masa de materia volátil que llega al digestor. Dicho valor es obtenido en el CAPITULO 3: con un resultado de 28.454 Kg/dia.

A continuación se muestra una tabla con los datos de partida para el cálculo de la producción de gas.

Tabla 15: Datos de partida

Para determinar el volumen de gas producido es necesario conocer previamente la cantidad de materia volátil eliminada. Para ello, se aplica el coeficiente de reducción de sólidos volátiles del 45% a la cantidad de materia volátil que entra en el digestor. El resultado es de 17.500 Kg/dia de materia volátil eliminada.

Conociendo la cantidad de materia volátil eliminada se puede determinar el volumen de gas producido sabiendo que 1 kg de materia volátil produce 900 litros de gas. Así pues, el volumen de biogas producido es de 15.750 m3/dia (en condiciones normales, es decir a 25ºC y 1 atm).

Producción de gas (l/Kg Sv eliminado) 900

Reducción de sólidos volátiles (%)) 45

Kg M. volátil entrada a Digestión (Kg/día) 28.454



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6.4. Estudio energético

6.4.1 Introducción

En este capitulo se desarrolla uno de los objetivos más importantes del proyecto. Los resultados presentados respaldan las decisiones tomadas y la validez de la tecnología para los datos de partida propuestos.

Como ya se ha indicado, tras el dimensionamiento del digestor se evalúa la producción de gas metano destinado al consumo propio en el calentamiento de los fangos y a la venta del exceso como energía eléctrica. Los puntos siguientes desarrollan un estudio energético en el que se evalúan los consumos en el digestor así como las pérdidas de calor.

6.4.2 Calentamiento de fangos

El proceso de calentamiento de fangos controla la temperatura de entrada de los mismos en el digestor. Se trata de un parámetro de vital importancia en el proceso biológico en el que se consume la mayor parte de energía. Así pues, para realizar el estudio de consumo energético, previamente hay que determinar las necesidades de calor en el proceso de calentamiento de fangos.

Las necesidades de calor de un digestor anaeróbico van a depender en un principio del caudal de fangos a calentar, de la geometría del digestor, las diferencias de temperaturas trabajo - entorno y por los diferentes coeficientes de transferencia de calor y pérdidas de las instalaciones. Además, la presencia de aislamiento en los digestores modifica sensiblemente los resultados obtenidos respecto a los resultados sin aislamiento.

La Tabla 16: Temperaturas muestra las temperaturas de diseño consideradas. La temperatura de trabajo de 35ºC ya ha sido justificada en apartados anteriores. Por otro lado, las temperaturas del entorno y de los fangos fríos han sido seleccionadas en función de la bibliografía y teniendo en cuenta casos extremos.

Tabla 16: Temperaturas de diseño

Fangos calientes 35

Fangos frios (ºC) 15

Aire (ºC) -5

Suelo (ºC) 5

Digestión (ºC) 35



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Los coeficientes de transferencia mostrados en la Tabla 17 corresponden a los coeficientes entre el hormigón y el aire o suelo. Dichas transferencias son la causa de las pérdidas de calor en la superficie del digestor en contacto con el aire o el suelo. Se trata de coeficientes tabulados y obtenidos de la bibliografía [1].

Tabla 17: Coeficientes de transferencia

Una vez fijados los datos de partida, las necesidades energéticas para el calentamiento de fangos y las necesidades por pérdidas en transferencia de superficies se calculan aplicando las siguientes expresiones.

Necesidades energéticas para el calentamiento de fangos:

Las necesidades energéticas para el calentamiento de fangos se obtienen mediante la siguiente expresión:

TtermcondCQfsfangosntocalentamieCalor ∆××= ...__

Donde:

Qfs = Caudal de fangos diarios (calculado en el apartado 2.3.4)

C.cond..term. = Coeficiente de conducción térmica (Kcal/m3/Cº) citado anteriormente.

T∆ = Diferencia de temperaturas entre fangos calientes (35ºC) y los fangos fríos (15ºC).

Se obteniene un total de 23.712.000 Kcal/día.


Cubierta hormigón aire (Kcal/h/m2) 2,4 2,4

Pared hormigón aire (Kcal/h/m2) 2 0,8

Pared hormigón suelo (Kcal/h/m2) 1,8 1,8

Fondo hormigón suelo (Kcal/h/m2) 1,2 1,2

Coeficiente conduc. térmica (Kcal/m3/C) 1000 1000



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Necesidades por pérdidas en transferencia de superficies:

En las pérdidas por transferencia de calor en las superficies es muy importante evaluar las mismas para digestores con y sin aislamiento. Por otro lado, la geometría del digestor, así como el número de digestores intervienen directamente en la superficie total expuesta a aire o tierra. La

Tabla 18 muestran las dimensiones geométricas necesarias para determinar las necesidades de calor por pérdidas.

Tabla 18: Dimensiones digestor

Así pues, las perdidas por transferencia con las distintas superficies del digestor se determinan a través de la siguiente expresión:

TCtransfANerftransfPerdidas ∆×××= .sup__

Donde

N = Número de digestores.

A = Superficie de contacto.

Ctransf. = Coeficiente de transferencia de la superficie en contacto (Tabla 17).

T∆ = Incremento de temperatura

T∆ = 35 - (-5 ) para superficie en contacto con el aire.

T∆ = 35 – 5 para superficie en contacto con el suelo.

N de digestores 4

Diámetro (m) 19,43

Altura (m) 20

Profundidad enterrada (m) 2



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En la Tabla 19 se muestra un resumen de los resultados de las pérdidas totales por transferencia con las superficies Por otro lado, en la Tabla 22 se muestran los resultados de la demanda térmica final para el calentamiento de los fangos (suma de las necesidades para el calentamiento y necesidades por perdidas).

Tabla 19: Pérdidas en transferencia

Tabla 20: Demanda termina total


Pérdidas en cubierta (Kcal/h) 113.818 113.818

Paredes no enterradas (Kcal/h) 351.533 140.613

Paredes enterradas (Kcal/h) 26.365 26.365

Fondo cónico (Kcal/h) 42.682 42.682

Total perdidas Transferencia (Kcal/h) 534.398 323.478

S/aislamiento C/aislamiento

Necesidades para calentamiento fangos (Kcal/h) 988.000 988.000

Tótal de pérdidas por transferencias (Kcal/h) 534.398 323.478

Demanda Térmica total (Kcal/h) 1.522.398 1.311.478



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6.4.3 Intercambiador

Como norma de diseño se establece que se utilizará un cambiador de calor principal (para calentamiento del fango de alimentación al sistema de digestión) y tantos intercambiadores secundarios como digestores (para compensar las perdidas de calor a través de las paredes del equipo y circuitos). Al emplear 4 digestores es necesario instalar 5 intercambiadores.

Por otro lado, se asigna al intercambiador un rendimiento típico del 90%. Teniendo en cuenta que se conoce la demanda térmica total, calculada en el apartado anterior, se puede calcular la potencia necesaria de los intercambiadores distinguiendo entre digestores aislados y no aislados.

La siguiente tabla muestra los resultados obtenidos.

Tabla 21: Dimensionamiento energetico intercambiadores


Demanda térmica (kcal/h) 1.522.398 1.311.478

Rendimiento (%) 0,90 0,90

Calor necesario (kcal/h) 1.691.553 1.457.197

Capacidad unitaria (Kcal/h) 338.311 291.439



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6.4.4 Caldera

El número de caldera a instalar está fijado por las normas de diseño. Se instalan dos calderas y con una potencia mayorada entre el 20 y el 30%. Al igual que en los intercambiadores, se fija un rendimiento 90%. Conocida la capacidad energética necesaria, se le aplican los factores de capacidad mayorada y de rendimiento para calcula la potencia unitaria de las dos calderas.

En la siguiente tabla se muestran los resultados obtenidos.

Tabla 22: Dimensionamiento energético Calderas


Capacidad necesaria (kcal/h) 1.691.553 1.457.197

Incremento por pérdidas (Kcal/h) 1.879.503 1.619.108

Incremento por capacidad (Kcal/h) 469.876 404.777

Capacidad sobredimensionada (Kcal/h) 2.349.379 2.023.885

Capacidad unitaria (Kcal/h) 1.174.689 1.011.943



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6.4.5 Gas en exceso

Una vez determinada la producción de biogás a partir de la eliminación de materia orgánica y el consumo del mismo cubriendo las necesidades energéticas, se puede calcular el gas en exceso empleado como combustible en un motogenerador.

A partir de la demanda térmica total de calor se puede calcular el consumo de gas necesario dividiéndolo entre el poder calorífico fijado en el CAPITULO 5:. En la siguiente tabla se muestran los resultados.

Tabla 25: Producción de gas en exceso

Para calcular la energía producida en la central en primer lugar recordamos los valores de los parámetros de funcionamiento de la instalación. Estos son:

• Capacidad calorífica del metano.

• Rendimiento del grupo motogenerador.

El biogás extraído está compuesto principalmente por metano (entre el 65 y 70%), Anhídrido carbónico (entre el 25 y 30%) y el resto (vapor de agua, nitrógeno, y pequeñas cantidades de sulfhídrico, amoníaco, etc). Un metro cúbico de metano, a temperatura y presión normales, tiene un poder calorífico neto de 38.000 kJ. Como el gas de digestión tiene un contenido en metano de aproximadamente un 65% su poder calorífico se puede cifrar en, 22.400 kJ/m3. Comparativamente, el gas natural, mezcla de metano, propano y butano, tiene un poder calorífico de 37.300 kJ/m3. El poder calorífico del biogás en unidades de trabajo es de 5.354 Kcal/m3.

Respecto al grupo de generación eléctrica, se fija a partir del estudio de distintas bibliografías un rendimiento del 35%.


Volumen de gas producido (Nm3/día) 11.524 11.524

Volumen de gas consumido (Nm3/día) 8.426 7.258,40

Volumen de gas en exceso (Nm3/día) 3.098 4.266



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En las tablas Tabla 23 y en la Tabla 24 se muestran los resultados finales del estudio para digestores sin aislamiento y con aislamiento respectivamente. Los resultados han sido obtenidos de la siguiente manera:

La producción térmica en exceso es resultado de la multiplicación del poder calorífico del biogás por el caudal en exceso de biogás.

La potencia en exceso es la potencia “bruta” extraída del caudal en exceso. Al multiplica ese valor por 0,35 se obtiene la potencia eléctrica para la que hay que seccionar el generador.

Todos estos resultados serán analizados en el siguiente capitulo de conclusiones.

Proyecto de fin de carrera Curso 2011 - 2012 Jorge Jesús Pérez Pichel ___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

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Tabla 23: Resultados eléctricos sin aislamiento

Kcal/h KJ/h Kw Kwh

Volumen de gas en exceso (Nm3/d) 3.098,0 - - - -

Poder calorífico metano (Kcal/m3) 5.354,0 - - - -

Rendimiento grupo (%) 35,0 - - - -

Producción térmica en exceso - 691.124,3 2.893.737,3 - -

Potencia en exceso - - - 803,8 -

Potencia eléctrica - - - 281,3 -

Energía eléctrica - - - - 6.751,7

Proyecto de fin de carrera Curso 2011 – 2012 Jorge Jesús Pérez Pichel ________________________________________________________________________________________________

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Kcal/h KJ/h Kw Kwh

Volumen de gas en exceso (Nm3/d) 4.265,6 - - - -

Poder calorífico metano (Kcal/m3) 5.354,0 - - - -

Rendimiento grupo (%) 35,0 - - - -

Producción térmica en exceso - 951.519,3 3.984.011,5 - -

Potencia en exceso - - - 1.106,6 -

Potencia eléctrica - - - 387,3 -

Energía eléctrica - - - - 9.295,6

Tabla 24 Resultados eléctricos con aislamiento


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CAPITULO 7: CONCLUSIONES

7.1. Conclusiones sobre los resultados

Los resultados obtenidos en el dimensionamiento del digestor se pueden resumir en los siguientes aspectos:

• Geometría y parámetros funcionales del digestor

• Necesidades térmicas.

• Capacidad necesaria de intercambiadores.

• Capacidad necesaria de calderas.

• Producción de gas – consumo de gas – gas en exceso.

• Producción eléctrica.

En el desarrollo del proyecto se ha estudiado

Tras la parametrización del digestor, se obtiene que el número óptimo de digestores es 4. La decisión fue tomada observando diferentes parámetros:

• Volumen unitario.

• Diámetro de unitario.

• Minimizar de las necesidades térmicas por pérdidas.

• Capacidad unitaria de intercambiadores.

• Capacidad unitaria de caldera.

• Variación en la producción de biogás en exceso.

El número de digestores influye directamente en las perdidas en la superficie. Se puede observar como las variaciones en el número de digestores provoca variaciones leves en la capacidad de la caldera y variaciones más importantes en la de los intercambiadores. Dicho esto, el número óptimo de digestores sería 3.

Tras el estudio de la bibliografía y observando notables mejorías con la introducción de aislamiento, se decide la instalación de 4 digestores obteniéndose valores más coherentes y dentro de límites. Es cierto que el biogás producido es menor, pero las variaciones en el mismo teniendo en cuenta la presencia de aislante son despreciables frente a los beneficios constructivos.


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En la Tabla 25: Resultados eléctricos se muestra los resultados eléctricos finales. Se puede observar los beneficios del digestor aislado frente al no aislado. Así pues, la energía desarrollada por el sistema de regeneración energética es de 9.295,6 Kwh equivalente al consumo de 1150 familias de cuatro miembros La potencia del generador a instalar será de 387,3 Kw. Ambos valores son típicos para las características del agua bruta.

Tabla 25: Resultados eléctricos

7.2. Cumplimiento de objetivos

El proyecto cumple los objetivos establecidos en la introducción. En el desarrollo del mismo se presta especial atención a los conceptos teóricos sobre plantas depuradoras y en concreto sobre el proceso digestivo. Se pretende así, justificar cada decisión tomada y cada resultado obtenido.

Por otro lado, se obtienen los valores necesarios para el correcto dimensionamiento del digestor. Los cálculos funcionales realizados han sido justificados en su apartado correspondiente y tienen como base la bibliografía investigada.

A su vez, la bibliografía fija las bases de diseño y los parámetros de diseño. A partir de ahí se llega a resultados energéticos coherentes y válidos. Así pues, el proyecto se ha centrado en una parte muy importante del proceso de depuración. A su vez, engloba todos los conocimientos necesarios para llegar a estos resultados satisfactoriamente.


Producción térmica en exceso (Kcal/h) 691.124,3 951.519,3

Potencia eléctrica (Kw) 281,3 387,3

Energía eléctrica (Kwh) 6.751,70 9.295,60


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CAPITULO 8: BIBLIOGRAFÍA

[1] Tchobanoglous, G., Burton, F.L., “Ingeniería de aguas Residuales”, 2000.

[2] Hernández, M., “Depuración de aguas residuales”, 1994.

[3] Gonzalez Sainz, E., “Proyecto de estación depuradora de aguas residuales

urbanas para el municipio de Boñar (León)”, 2003.

[4] IDAE (Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía), “Biomasa:

Digestores anaerobios”, 2007.

[5] DIRECTIVA 91/271/CEE: Sobre el tratamiento de las aguas residuales

urbanas.

[6] Sainz Saste, J.A., “Tecnologías para la sostenibilidad. Procesos y

operaciones unitarias de depuración de aguas residuales”, 2007.

[7] Sanz Fernández, I., “Anales de mecanica y electricidad”, septiembre-

octubre 2004.

[8] Campello Lobo, J. “Instalación de una planta de aprovechamiento

energético de biogás de vertedero”.

[9] Torres Rojo, J., Martín González, M., “Posibilidades de cogeneración

energética en la EDAR MURCIA ESTE”, Aguas de Murcia, Grupo Agbar.

[10] Herrera Suárez, A., “Master de ingeniería del agua: Eliminación de lodos de

una EDAR”, 2003.

[11] Aguas de Jerez: “ http://www.aguasdejerez.com/index.php?id=598 ”.

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DISEÑO DE UN DIGESTOR ANAERÓBICO DE UNA …relación con la obra Diseño de in digestor anaeróbico de una depuradora de tratamiento de aguas residuales con aprovechamiento energético,