Procesos Emergentes de Depuracion para el Aprovechamiento Energetico del Agua Residual
Frank Rogalla, Carlos Varela y Pilar Icaran
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Uso de la energía en la gestión del agua: potable y residual
• Los remedios actuales para paliar la escasez de agua son energéticamente intensivos(y generan gases de efecto invernadero = riesgo de circulo vicioso) : – Desalación (Contabilizando el pre- y post-tratamiento y bombeo) > 3…4 kWh/m3
– Reutilización con reactores de membrana 1 kWh/m3 (sin RO)– Alternativa NeWater Singapore (Lodo Activado + MF + RO): 0.8 kWh/m3
• El sector del agua en los países desarrollados consume el 3 % de la energía:
• Energia media utilizada en UK para tratamiento del agua:0.7 kWh/m3 para agua potable (fundamentalmente en bombeo)0.8 kWh/m3 para agua residual (0.3 kWh/m3 en el tratamiento biológico)
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Energia eléctrica potencial del agua residual:0.11 kg DQO/PE/d x 0.35 m3 CH4/kg DQO
x 2.3 kWh/m3 CH4 x 365 d = 32 kWh/PE/año
Thöle D. (2006). Assessment criteria “Manual Energy Audit”and Recommendation of Umweltbundesamt, Ruhrverband
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Optimización de los sistemas convencionales• Sin tratamiento primario, pero con tratamiento biológico de alta carga
(SRT = 12 h) para absorber fácilmente los compuestos digeribles y aumentar la producción de biogás en la digestión anaeróbica.
• Maximizar el rendimiento de la digestion y de la cogeneración (38 %)
• Optimización de la fase posterior de aireación para eliminación de nitrógeno, mediante la medida en continuo de amonio.
• Reducción de los retornos de amoníaco y de la energía necesaria para su eliminación mediante procesos Annamox: – ahorro total de energía del 12 %
• Referencia: Wett B., Buchauer K. and Fimml C. (2007). Energy self-sufficiency as a feasible concept for wastewater treatment systems, Institute of Infrastructure and Environmental Engineering, University of Innsbruck, Austria.
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Optimización de los sistemas convencionales• Ejemplo en la depuradora de Strass, Austria:
La planta ha pasado de ser autosuficiente en un 49 % en 1995a serlo en un 108 % en 2005
• Referencia: Wett B. (2006). Solved upscaling problems for implementing deammonification of rejection water, Water Science & Technology, Vol. 53, No. 12, pp 121-128.
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Strass, Austria: Balance de energíahttp://www.aiz.at/files/Betriebsoptimierung_ARA_Strass.pdf
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Pre-tratamiento Anaerobio: Tecnología Sostenible ?
• Aprovechar la energía latente del agua residual: > lo necesario para la oxidación
• Producir biogás en vez de consumir energía• Minimizar consumo de electricidad de aeración• Reducir la producción de fangos • Utilizar unidades de tratamiento compactas y
cerradas: UASB = Upflow Anaerobic Sludge Blanket
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Influent
Tratamiento Convencional con Lodo Activado vsIntegracion del Pre-Tratamiento AnaerobioCourtesy of – Por gentileza de: PUB Singapore
Preliminary Treatment
Primary Sedimentation
Tank
EffluentActivated Sludge
Sludge Disposal
Dewatering
Thickener
Digester
Biogas
Anaerobic Process
Biogas
EffluentAerobic Polishing
DewateringSludge
Disposal
Waste sludgeDisintegration of Sewage Sludge
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Experiencia a gran escala en Brasil
• Belo Horizonte, MG: 1,700,000 PE• 155 000 m3/d ( primera fase) •• 24 24 modulosmodulos de 2200 m3 de 2200 m3 cadacada• Tratamiento Secundario previsto: • – Lechos Bacterianos (Trickling Filters)
Courtesy of – por gentileza de: Copasahttp://www.copasa.com.br/cgi/cgilua.exe/sys/start.htm?sid=160
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UASB : Referéncias a gran escalaV= 48,000 mV= 48,000 m33 Curitiba (Curitiba (AtubaAtuba SulSul): ): 24 24 modulosmodulos de 2000 m3 de 2000 m3 cadacada
• Campinas, SP• Q = 48 000 m3/d • UASB + Lodos Activados + Flotacion DAF
Courtesy of –por gentileza de:Sanasa
Courtesy of –por gentileza de: Sanepar
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Country Volume Vup FIDHRT ECOD EBOD ETSS
m3 m/h #/m2h % % %
Colombia 64 0.67 -6 65 79 76India* 1200 0.75 1.936 74 75 75
Temp°C
±2520-30
Brazil 120 0.3-0.9 -5-15 60 70 70Colombia 6600 0.77 1.75.2 70 - -
18-30±25
Brazil 67.5 - 27 74 80 87India 3380 0.77 26 63 66 73
16-2318-26
India 11200 0.75 26 61 48 51Brazil 810 0.52 2.259.7 67 - 61
26-2930
Media 0.69 1.98 67 70 707.0
Wiegant 2001 WST 44:107; Seghezzo et al 1998 Biores. Tech. 65:175; Kalogo & Vestraete 1999. World J. Micr. Biotech. 15:523; Florencio et al. 2001. WST 44:71
Operacion en UASB con Aguas Residuales Municipales
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Pretratamiento anaeróbico: Producción de Bio-Gas
• Agua residual DQO - 600 mg/l– Producción teórica: 0.35 m3 CH4/kg DQO eliminada– 70% DQO eliminada– Conversión de metano ~ 0.15 m3 / m3 agua residual
• Valor energético con motor de cogeneración:• Con 35 % de rendimiento en produccion electrica• 2.3 kWh el. / m3 de metano• Electricidad: 0.34 kWh/m3 agua residual
• Producción sólidos: 0.15 kg TSS / COD = 90 mg/l
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• Decantación primaria con eliminación del 50% de sólidos– Producción: 150 mgTSS/l ~ 75% sólidos volátiles (VS)
• Fangos biológicos en exceso– 210 mg DBO/l x 0.7 mgTSS/mg DBO = 150 mg/l ~ 80% VS
• Digestor anaeróbico– Eliminación de volátiles ~ 50 %– Producción de biogás: 1 m3/kg VS eliminados con 65 % de metano– Producción específica de CH4: 0.075 m3/m3
– Electricidad 0.075 x 2.3 = 0.17 kWh/m3
• Sólidos residuales - 184 mg/l (de 300 mg TSS/l)
Tratamiento convencional:Comparación de la producción de biogás
agua residual 300 mg DBO/l (60 g DBO/ 200 l )
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Reducción de la energía necesaria para aireación
• Energía requerida para oxidación: 1.5 kWh/kg
• DBO del Agua Bruta 300 mg DBO/l
• Demanda de Electricidad:
– Con Decantacion primaria (30 %):
• 210 mg BOD/l x 1.5 = 0.315 kWh/m3 agua
– Con Pre-Tratamiento Anaeróbico (60 %):
• 105 mg BOD/l x 1.5 = 0.16 kWh/ m3 agua
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Ejemplo Balance Energético(300 mg BOD/l)
18490mg/lProducción de sólidos
- 0,15+ 0,18kWh/m3Balance energético
- 0,32- 0,16kWh/m3Energía de oxidación
+ 0,17+ 0,34kWh/m3Producción eléctrica
+ 0,07+ 0,15m3 CH4/m3 aguaProducción de biogás
ConvencionalAnaeróbicoUnidadParámetro
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80203010025201283210
DQO eliminada equivalente(mg/l)
Solubilidad del metano*(mg/l)
Temperatura(oC)
Solubilidad del metano en el efluente
Nils Brown: Methane Dissolved in Wastewater Exiting UASB Reactors: Concentration Measurement and Methods for NeutralisationJune 2006, Department of Energy Technology, Royal Institute of Technology (KTH), Stockholm, Sweden
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Diseño de la EDAR Ajman (UAE)
23 00015 300Kg/dBOD/TSS
74 00049 000m3/dCaudal medio
382 500255 000PEPoblación
20302015Unidad
Calidad requerida del efluente: 10 mg/l de DBO y SS
SubmergedAerated Filters
( SAF )
Courtesy of – Por gentileza de: Black & Veatch
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EDAR Ajman: Dimensiones de los reactores
12.5 m X 3 m10DBF (Deep Bed Filters)
25 m x 4 m6 SAF (Submerged Aerated Filters)
23 m x 23 m8UASB
16.3 t TSS/d15.3 t DBO/dCarga contaminante
49,073 m3/dCaudalParámetro
Courtesy of – Por gentileza de: Black & Veatch
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EDAR de Ajman: reactores UASB
HRT = 9 hCarga de DBO =
0.8 kg DBO/m3 d
Courtesy of – Por gentileza de: Black & Veatch
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EDAR Ajman: Caudal de entrada y conductividad
- Incremento gradual del caudal
- Reducción gradual de la conductividad:
- buena correlación con TDS,
- pero no con cloruros.
Courtesy of – Por gentileza de: Black & Veatch
y = 0.0014x + 4.3434R2 = 0.1816
6.0
6.2
6.4
6.6
6.8
7.0
7.2
7.4
1500 1600 1700 1800 1900 2000
Chloride (mg/L)
Cond
uctiv
ity (m
S/cm
)
y = 0.0017x + 0.7589R2 = 0.9303
6.0
6.2
6.4
6.6
6.8
7.0
7.2
7.4
3100 3200 3300 3400 3500 3600 3700 3800 3900
TDS (mg/L)
Cond
uctiv
ity (m
S/cm
)
Raw Sewage Feed
2.0
4.0
6.0
8.0
2/2/08 23/3/08 12/5/08 1/7/08 20/8/08 9/10/08 28/11/08
mS/
cm
0500010000150002000025000
m3/
d
Conductivity Flow
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UASB Ajman: Calidad del efluente
• Planta en operación:– UASB: 3 de las 8 unidades– SAF: 5 de los 6 reactores con 4 soplantes– DBF: 8 de las 10 celdas con 12 h BW intervalo
Courtesy of – Por Gentileza de: Black & Veatch
UASB Effluent
0
100
200
300
400
500
2/2/08 23/3/08 12/5/08 1/7/08 20/8/08 9/10/08
mg/
L
COD TSS BOD
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30 Day Acceptance Test - DBF Effluent
05
10152025303540
15/7/08 20/7/08 25/7/08 30/7/08 4/8/08 9/8/08 14/8/08
mg/
L
TSS BOD
DBF Effluent
0
20
40
60
80
100
15/7/08 20/7/08 25/7/08 30/7/08 4/8/08 9/8/08 14/8/08
mg/
L
COD
EDAR Ajman Test 2008: 30 díasEfluente final del 15 Julio - 15 Agosto
30/30Limit
10/10
Courtesy of -Por Gentileza de: Black & Veatch
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EDAR Almeria El Bobar: Datos de Partida
255.512.619kg/dCarga DBO
500550420350mg/lDBO
250042019003940m3/hPunta
50 00010 00030 00054 000m3/dCaudal
PropuestaExtensionActualProyecto 96UnidadesParámetro
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EDAR Almería: Opciones de Fases de Construcción
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Balance de Conversion al UASB (30 000 m3/d)• Consumo actual de electricidad por mes (0.083 c/kWh)
– 600 000 kWh = 50 000 €
• Con UASB, bajaría el consumo de la energía de aeración a:– 30 000 x 0.42 x 0.4 x 1.5 = 7500 kWh/d x 30 = 226 800 kwh/mes
• Fangos en exceso:– actualmente 10 000 t / mes x 25 €/t = 25 000 €/mes ¿
• El UASB generaría mas biogás:– 30 000 x 0.42 x 0.6 x 2 x 0.3 = 4500 m3/d x 30 = 136 000 m3/mes – transformado en electricidad 136 000 x 2.3 kwh/m3 = 313 000 kWh/mes.– La energía verde según RD 661 / 2007 se venderia a 0.1307 €/kW
• El beneficio del proyecto seria de:– ahorro de energía: 600 – 250 = 350 MWh/ mes x 0.11 = 38 000 €/ mes – producción de electricidad 41 000 €/mes– 0.95 M €/año
• Inversión de 5 m x 20 m x 20 m x 8 x 300 €/m3 = 4.8 M € = retorno 5 años
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EDAR Almeria - Futuro: Areas Fuera de Servicio
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Conclusiones
• Experiencia mundial de pre-tratamiento anaeróbico a gran escala en climas y condiciones similares a España
• Rendimientos de depuración > 60 % con producción de biogas y menos fangos residuales
• Auto-suficiencia energética y reducción de emisiones CO2
• A verificar– Producción neta de biogás y valor de la electricidad– Coste de construcción y operación en España– Eliminación de nutrientes en post-tratamiento