Estudio comparativo de la produccion de biogas mediante tecnologia de biorreactores anaerobios de codigestion a escala laboratorio

Abstract

[ES] El presente Trabajo Final de Máster (TFM) se enmarca en la tesis doctoral de Rebecca Serna sobre la digestión anaerobia de fangos y microalgas, y la producción de biogás utilizando biorreactores anaerobios con membranas (AnMBR). Este proyecto es una de las líneas de trabajo actuales llevadas a cabo por el grupo de investigación CALAGUA, formado por personal del Instituto de Ingeniería del Agua y Medio Ambiente de la Universitat Politècnica de València y del Dpto. de Ingeniería Química de la Universitat de València, cuyo objetivo final es el desarrollo de esquemas viables que permitan el tratamiento del agua residual urbana mediante el uso de la tecnología de AnMBR. Un esquema de tratamiento anaerobio permitiría la eliminación de materia orgánica del agua residual urbana con una reducción de la demanda energética significativa y de la cantidad de fango producido se reduce en comparación al proceso aerobio. Por su parte, la filtración con membranas de ultrafiltración permite mejorar el rendimiento de todos los procesos implicados al permitir el desacoplamiento de los tiempos de retención celular (TRC) y los tiempos de retención hidráulica (TRH) en todos los sistemas incluidos. Del esquema mencionado se obtiene un efluente libre de sólidos suspendidos y patógenos, aunque con concentraciones de nutrientes (NH4+ y PO43-) que la legislación actual no permite usar directamente sobre el terreno, por lo que se busca una alternativa para la eliminación de los nutrientes presentes en el efluente de un AnMBR. Para ello, el grupo CALAGUA propone el uso de la tecnología de membranas acoplada a un fotobiorreactor (tecnología MPBR) donde un cultivo de microalgas resulta efectivo en la remoción de nutrientes. La ratio C/N, bajo en microalgas derivado de su alto contenido en proteínas, aumenta la concentración de amoníaco y la concentración de ácidos grasos y puede inhibir potencialmente la digestión anaeróbica. La codigestión con residuos ricos en carbono es un método para equilibrar esta relación y superar esta desventaja. Los fangos producidos en la decantación primaria de un proceso de depuración de aguas residuales, son un ejemplo con los que se puede conseguir una producción creciente de biogás a partir de su codigestión con un cultivo de microalgas. Así, el esquema alternativo e innovador que se propone es la combinación de la decantación primaria de una EDAR ubicada en la Cuenca del Carraeixet y un fotobiorreactor, y la digestión conjunta de los fangos producidos (primario y AnMBR) con la biomasa algal proveniente del sistema MPBR con el fin de maximizar la recuperación de la energía en un proceso de depuración de aguas residuales urbanas. Para obtener resultados extrapolables a plantas reales, se realiza una primera etapa de experimentación a escala piloto y semi-industrial. Este TFM se centra en los resultados obtenidos de dos AnMBR pilotos a escala laboratorio, operados en condiciones de temperatura mesófila y termófila.

[CA] El present Treball Final de Màster (TFM) s'emmarca en la tesi doctoral de Rebecca Serna sobre la digestió anaeròbia de fangs i microalgues, i la producció de biogàs utilitzant bioreactors anaerobis amb membranes (AnMBR) . Este projecte és una de les línies de treball actuals dutes a terme pel grup d'investigació CALAGUA, format per personal de l'Institut d'Enginyeria de l'Aigua i Medi Ambient de la Universitat Politècnica de València i del Dpto. d'Enginyeria Química de la Universitat de València, l'objectiu final de la qual és el desenrotllament d'esquemes viables que permeten el tractament de l'aigua residual urbana per mitjà de l'ús de la tecnologia d'AnMBR. Un esquema de tractament anaerobi permetria l'eliminació de matèria orgànica de l'aigua residual urbana amb una reducció de la demanda energètica significativa i de la quantitat de fang produït es reduïx en comparació al procés aerobi. Per la seua banda, la filtració amb membranes d'ultrafiltració permet millorar el rendiment de tots els processos implicats al permetre el desacoblament dels temps de retenció cel·lular (TRC) i els temps de retenció hidràulica (TRH) en tots els sistemes inclosos. De l'esquema mencionat s'obté un efluent lliure de sòlids suspesos i patògens, encara que amb concentracions de nutrients (NH4+ i PO43-) que la legislació actual no permet usar directament sobre el terreny, per la qual cosa es busca una alternativa per a l'eliminació dels nutrients presents en l'efluent d'un AnMBR. Per a això, el grup CALAGUA proposa l'ús de la tecnologia de membranes acoblada a un fotobiorreactor (tecnologia MPBR) on un cultiu de microalgues resulta efectiu en la remoció de nutrients. La ràtio C/N, davall en microalgues derivat del seu alt contingut en proteïnes, augmenta la concentració d'amoníac i la concentració d'àcids grassos i pot inhibir potencialment la digestió anaeròbica. La codigestión amb residus rics en carboni és un mètode per a equilibrar esta relació i superar este desavantatge. Els fangs produïts en la decantació primària d'un procés de depuració d'aigües residuals, són un exemple amb què es pot aconseguir una producció creixent de biogàs a partir del seu codigestión amb un cultiu de microalgues. Així, l'esquema alternatiu i innovador que es proposa és la combinació de la decantació primària d'una EDAR ubicada en la Conca del Carraixet i un fotobiorreactor, i la digestió conjunta dels fangs produïts (primari i AnMBR) amb la biomassa algal provinent del sistema MPBR a fi de maximitzar la recuperació de l'energia en un procés de depuració d'aigües residuals urbanes. Per a obtindre resultats extrapolables a plantes reals, es realitza una primera etapa d'experimentació a escala pilot i semi-industrial. Este TFM se centra en els resultats obtinguts de dos AnMBR pilots a escala laboratori, operats en condicions de temperatura mesófila i termòfila, permetent així l'avaluació comparativa de la producció de biogàs dels processos anaerobis.

[EN] The present Master Final Project (TFM) is part of the doctoral thesis of Rebecca Serna on the anaerobic digestion of sludge and microalgae, and the production of biogas using anaerobic bioreactors with membranes (AnMBR). This project is one of the current lines of work carried out by the CALAGUA research group, formed by personnel from the Institute of Water and Environmental Engineering of the Universitat Politècnica de València and the Dept. of Chemical Engineering of the Universitat de València , whose final objective is the development of viable schemes that allow the treatment of urban wastewater through the use of AnMBR technology. An anaerobic treatment scheme would allow the removal of organic matter from urban wastewater with a significant reduction in energy demand and the amount of sludge produced is reduced compared to the aerobic process. On the other hand, the filtration with ultrafiltration membranes allows to improve the performance of all the processes involved by allowing the decoupling of cell retention times (TRC) and hydraulic retention times (TRH) in all the systems included. From the aforementioned scheme an effluent free of suspended solids and pathogens is obtained, although with nutrient concentrations (NH4 + and PO43-) that the current legislation does not allow to use directly on the ground, so an alternative for the elimination of nutrients is looked for present in the effluent of an AnMBR. For this, the CALAGUA group proposes the use of membrane technology coupled to a photobioreactor (MPBR technology) where a microalgae culture is effective in the removal of nutrients. The C/N ratio, low in microalgae derived from its high protein content, increases the concentration of ammonia and the concentration of fatty acids and can potentially inhibit anaerobic digestion. Co-digestion with carbon-rich waste is a method to balance this relationship and overcome this disadvantage. The sludge produced in the primary settling of a wastewater treatment process is an example with which an increasing production of biogas can be achieved from its codigestion with a microalgae culture. Thus, the alternative and innovative scheme proposed is the combination of the primary sedimentation of a WWTP located in the Carraeixet Basin and a photobioreactor, and the joint digestion of the sludge produced (primary and AnMBR) with the algal biomass from the system MPBR in order to maximize the recovery of energy in a process of urban wastewater treatment. To obtain results extrapolables to real plants, a first stage of experimentation is carried out at pilot and semi-industrial scale. This TFM focuses on the results obtained from two AnMBR pilots at laboratory scale, operated under mesophilic and thermophilic temperature conditions, thus allowing the comparative evaluation of the biogas production of the anaerobic processes, as well as the quality of their effluent.