Estudio de viabilidad de la incorporación de la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos (FORSU) al tratamiento de aguas residuales mediante la tecnología de bioreactor de membranas anaerobias (AnMBR)

Abstract

This Ph.D. thesis evaluates the joint treatment of WW and the organic fraction of the municipal solid waste (OFMSW) using the AnMBR (Anaerobic Membrane BioReactor) technology, obtaining methane-enriched biogas as a product, which could produce energy. OFMSW physicochemical characterization revealed that OFMSW COD concentration (59400±14000 mg·L-1) is a hundred times higher than the average values of COD in the WW. Therefore, an important increment in biogas production is expected. Besides that, OFMSW and WW sulphate concentration has similar concentration ranges, so COD/S-SO4 ratio increases and methanogenic Archaea (MA) is favoured in its competition for the available substrate against sulphate-reducing bacteria (SRB). OFMSW total nitrogen concentration is two times higher than in the WW. OFMSW total phosphorous concentration, is 10 times higher in comparison to WW. The particle size distribution study says that only 13% of the particles will be removed in a restrictive pre-treatment, as a 0.5 mm fine screening membrane protector. Therefore, most of the organic matter will pass through the sieving process and will be fed into the anaerobic digester for valorisation. OFMSW anaerobic biodegradability, obtained from BMP tests, is 72±3%. The pilot-plant was operated for 536 days, during which six different periods can be distinguished according to different sludge retention times (SRT) and OFMSW penetration factor (PF). OFMSW COD concentration increases the organic load of the influent which feds the AnMBR reactor. OFMSW proportion with regard to the total flow (1,1%) has a dilution effect that makes no change in nutrient concentration. Therefore, COD/S-SO4 ratio increases from 5.1 in Period 1 (40 days of SRT and 0% PF) to 8.0 in Period 5 (70 days of SRT and 80% PF). Methane production during joint treatment is significantly higher compared to Periods when only treating WW (Periods 1 and 6), reaching a 200% increment at 80% PF (Period 5) compared to Period 1. As expected, the longer the SRT the higher methane production with the same PF. At 40% PF and 70 days of SRT in Period 4, production is higher than 40 days SRT in Period 2 (114,9 L·kg-1 removed COD vs 80,4 L·kg-1 removed COD, respectively). Furthermore, doubling PF increased methane production by 30% (Period 4 vs Period 5) and by nearly 200% between P5 and P1 (from 0 to 80% PF). Effluent obtained in the AnMBR is nutrient-enriched and, thanks to the membrane effect, there are no suspended solids or pathogens in it, becoming a high-quality effluent, which could be used as irrigation water. Besides that, COD concentrations were lower than the limit concentration allowed to accomplish the discharge requirements (125 mg COD ·L-1). OFMSW addition and SRT increment results in a population change in the anaerobic reactor because of the increment in the bacterial population in charge of hydrolysis and fermentation and also in MA, leading to a higher organic matter biodegradability. After the calibration of the BNRM2 model, the performed simulations confirmed this higher biodegradability during the joint treatment periods. Membrane fouling was minimum, transmembrane pressure (TMP) in the membrane was significantly low (-0.131±0.06 bar) compared to the limit TMP (-0.40 bar). Regarding the economic study of the operation, the lower cost was found in Period 5 (70 days of SRT and 80% PF), achieving a benefit of 0.022 €·m-3 treated, due to the biogas operation against Period 1 (40 days of SRT and 0% PF) with an operation cost of 0.039 €·m-3 treated, under optimal filtration conditions, demonstrating that the joint treatment of OFMSW in an AnMBR reduces the operation costs. This Ph.D. thesis has demonstrated the technical and economic feasibility of the joint treatment of WW and OFMSW by using the AnMBR technology and the considerable interest in this treatment as a future option to convert the waste water treatment plants to water resource recovery facilities.

En esta Tesis Doctoral se evalúa la viabilidad técnico-económica del tratamiento conjunto de la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos (FORSU) y las aguas residuales urbanas (ARU) mediante la tecnología AnMBR (Anaerobic Membrane BioReactor) obteniendo como producto el biogás, rico en metano, que puede producir energía. La caracterización físico-química de la FORSU pone de manifiesto una elevada concentración de materia orgánica de la FORSU (59400±14000 mg DQO·L-1), cien veces mayor respecto de los valores medios de ARU. Por ello, se espera un notable aumento de la producción de biogás. Además, la concentración de sulfato, se mantiene en unos rangos de concentración similares a los del ARU, de forma que la relación DQO/S-SO4 aumenta, favoreciendo a las Archaea metanogénicas (AM) en su competición por el sustrato disponible contra las bacterias sulfatoreductoras. La concentración de nitrógeno total es casi el doble de la del ARU afluente y 10 veces mayor en el caso del fósforo total. En el estudio de distribución de tamaño de partículas, se refleja que sólo el 13% de las partículas se eliminarán tras un pretratamiento de tamizado por 0,5 mm. Por lo tanto, la mayor parte de la materia orgánica pasa a través del proceso de tamizado y alcanza el reactor anaerobio para su valorización. La biodegradabilidad anaerobia de la FORSU, obtenida a partir de ensayos de BMP, es del 72±3%.La planta piloto AnMBR se operó durante 536 días, periodo en el cual se estudiaron distintas condiciones de operación modificando el tiempo de retención celular (TRC) y la proporción de FORSU introducida en el sistema (factor de penetración, FP). El aporte de DQO debido a la adición de la FORSU implica un notable incremento de la carga orgánica en la entrada al reactor AnMBR. La proporción de FORSU respecto al caudal total (1,1 %) provoca un efecto de dilución que hace que el aporte de nutrientes por parte de los residuos prácticamente no se aprecie. Así, la relación DQO/S-SO4 se ve incrementada de 5,1 en el Periodo 1 (TRC de 40 días y 0% de FP) a 8,0 en el Periodo 5 (TRC de 70 días y 80% de FP). La producción de metano durante el tratamiento conjunto es notablemente mayor que en los periodos donde sólo se trata ARU, alcanzando un incremento de casi un 200% cuando se trabaja con un FP del 80% y 70 días de TRC en el Periodo 5 con respecto de la producción sin FORSU. En general, la producción de metano es mayor cuanto mayor es el TRC. Con un mismo FP del 40%, se consigue una mayor producción en el Periodo 4, con 70 días de TRC (114,9 L·kg-1 DQO eliminada) que en el Periodo 2, con 40 días (80,4 L·kg-1 DQO elim). Por otro lado, al incrementar el FP de la FORSU al doble, se observa un aumento del 30% en la producción de metano y casi de un 200% al comparar con el periodo previo al tratamiento conjunto. El efluente obtenido es rico en nutrientes, y, gracias al efecto de las membranas, no hay presencia de sólidos suspendidos o patógenos, dotando al efluente de una gran calidad, por lo que puede ser utilizado como agua de riego. Además, se cumplieron los límites de vertido de DQO durante todo el experimento. La incorporación de la FORSU y el incremento del TRC provocan un cambio poblacional en las bacterias encargadas de la hidrólisis y la fermentación y de AM, traduciéndose en una mayor biodegradabilidad del afluente. Durante los diferentes periodos, el ensuciamiento de las membranas fue mínimo, la presión transmembrana (PTM), de -0,131±0,06 bar está muy alejada de la PTM límite (-0,40 bar. El menor coste económico se dio en el Periodo 5 (con TRC de 70 días y 80% de FP), demostrando que la adición de la FORSU reduce el coste de operación. La presente Tesis Doctoral ha demostrado la viabilidad del tratamiento conjunto de aguas residuales y FORSU con la tecnología AnMBR y el gran interés de este tratamiento como una opción de futuro dentro del concepto actual de transformar l

En aquesta Tesi Doctoral s'avalua la viabilitat tècnic-econòmica del tractament conjunt de les aigües residuals urbanes (ARU) i la fracció orgànica dels residus sòlids urbans (FORSU) mitjançant la tecnologia AnMBR (Anaerobic Membrane BioReactor), obtenint com a producte el biogàs, ric en metà, que pot produir energia. La caracterització físic-química de la FORSU posa de manifest una elevada concentració de matèria orgànica de la FORSU (59400±14000 mg DQO·L-1), cent vegades major respecte dels valors mitjans d'ARU. Per aquest motiu, s'espera un notable augment de la producció de biogàs. A més, la concentració de sulfat, es manté en uns rangs de concentració similars als del ARU, de manera que la relació DQO/S-SO4 augmenta, afavorint a les Archaea metagéniques (AM) en la seua competició pel substrat disponible contra els bacteris reductors de sulfat. La concentració de nitrogen total és quasi el doble de la del ARU afluent i 10 vegades major en el cas del fòsfor total. En l'estudi de distribució de grandària de partícules, es reflecteix que només el 13% de les partícules s'eliminaran després d'un pretractament restrictiu, com és el tamisat per 0,5 mm. Per tant, la major part de la matèria orgànica pansa a través del procés de tamisat i aconsegueix arribar al reactor anaerobi per a la seua valorització. La biodegradabilitat anaeròbia de la FORSU, obtinguda a partir d'assajos de BMP, és del 72±3%. Durant l'operació desenvolupada a escala de planta pilot, per un període de 536 dies, s'estudien sis períodes diferents modificant el temps de retenció cel·lular (TRC) i el factor de penetració (FP) de la FORSU. L'aportació de DQO a causa de l'addició de la FORSU implica un notable increment de la càrrega orgànica en l'entrada al reactor AnMBR. La proporció de FORSU respecte al cabal total (1,1 %) provoca un efecte de dilució que fa que l'aportació de nutrients per part dels residus pràcticament no s'aprecie. Així, la relació DQO/S-SO4 es veu incrementada de 5,1 en el Període 1 (TRC de 40 dies i 0% de FP) a 8,0 en el Període 5 (TRC de 70 dies i 80% de FP). La producció de metà durant el tractament conjunt és notablement major que en els períodes on només es tracta ARU (Períodes 1 i 6), aconseguint un increment de quasi un 200% quan es treballa amb un FP del 80% en el Període 5 respecte a la producció en el Període 1. En general, la producció de metà és major com més gran és el TRC. Amb un mateix FP del 40%, s'aconsegueix una major producció en el Període 4, amb 70 dies de TRC (114,9 L·kg-1 DQO eliminada) que en el Període 2, amb 40 dies (80,4 L·kg-1 DQO eliminada). D'altra banda, en incrementar el FP de la FORSU al doble, s'observa un augment del 30% en la producció de metà i quasi d'un 200% en comparar amb el període previ al tractament conjunt. L'efluent obtingut és ric en nutrients, i, gràcies a l'efecte de les membranes, no hi ha presència de sòlids suspesos o patògens, dotant a l'efluent d'una gran qualitat, per la qual cosa pot ser utilitzat com a aigua de reg. A més, es van complir els límits d'abocament de DQO durant tot l'experiment. La incorporació de la FORSU i l'increment del TRC provoquen un canvi poblacional en els bacteris encarregats de la hidròlisi i la fermentació i d'AM, traduint-se en una major biodegradabilitat de l'afluent. L'embrutiment de les membranes va ser mínim, la pressió transmembrana (PTM) en el mòdul de membranes de -0,131±0,06 bar està molt allunyada de la PTM límit (-0,40 bar). El menor cost econòmic es va donar en el Període 5 (amb TRC de 70 dies i 80% de FP) demostrant que el tractament conjunt de la FORSU en un AnMBR redueix el cost d'operació. La present Tesi Doctoral ha demostrat la viabilitat del tractament conjunt d'aigües residuals i FORSU amb la tecnologia AnMBR i el gran interès d'aquest tractament com una opció de futur dins del concepte actual de transformar les estacions de tractament