Thermal hydrolysis pre-treatment to enhance anaerobic digestion of waste activated sludge. optimization of operating conditions and evaluation of alternative schemes

Resumen

En la actualidad se generan grandes cantidades de sólidos durante el proceso de tratamiento de aguas residuales, y debido a que los requisitos de protección ambiental se están volviendo cada vez más estrictos, la gestión de estos lodos se está convirtiendo en un gran problema. La digestión anaerobia (DA) de lodos es considerado el tratamiento más adecuado debido a su escaso impacto ambiental, su alto potencial de recuperación de energía en forma de biogás (60 – 70% de metano) y a la reducción de la cantidad de biosólidos a eliminar. Sin embargo, debido a la biodegradabilidad compleja del lodo secundario (en la cual la fase limitante es la hidrólisis), las plantas de tratamiento de aguas residuales se ven obligadas a reevaluar sus estrategias de gestión de lodos. Han sido varios los métodos de pretratamiento previo a digestión desarrollados e investigados para mejorar la solubilización y desintegración de estos lodos. Todos ellos inducen la solubilización de materia particulada compleja (transferencia de las partículas a la fracción líquida), haciendo que ésta sea consumida más rápidamente durante la digestión anaerobia, aumentando el volumen de biogás producido y disminuyendo la cantidad final de biosólidos. De entre todos ellos, el pretratamiento térmico (o hidrólisis térmica) representa la alternativa más rentable y fiable a escala industrial. Sus principales ventajas son: una atractiva integración energética del proceso completo y una mejora en la calidad y gestión de los biosólidos producidos después de la digestión. Ambos factores afectan positivamente el coste de operación de la planta de tratamiento de aguas residuales (ya que el balance energético neto podría resultar positivo), y los lodos hidrolizados (esterilizados a temperaturas elevadas) cumplen con los requerimientos de la Agencia de Protección Ambiental (EPA) para lodos de Clase A. Los diferentes procesos comerciales de hidrólisis térmica que han sido desarrollados compiten entre sí a la hora de realizar el pretratamiento en las condiciones y configuraciones óptimas, con el fin de alcanzar su compromiso particular entre rendimiento y coste. En este contexto, la optimización de las condiciones de operación, la configuración del proceso global, y el esquema de integración energética son lógicamente los tres temas más importantes explorados hoy en día en el campo de la hidrólisis térmica. En este escenario, esta tesis se centra concretamente en la identificación de los diferentes factores que afectan el rendimiento de generación de metano tras el pretratamiento térmico y la selección de aquellas condiciones de operación óptimas que desempeñan una función clave en la economía del proceso, con el fin de consolidar la hidrólisis térmica como una tecnología rentable para la digestión anaerobia de lodos activos. Los objetivos y esquema del desarrollo de la tesis se presentan en el Capítulo 1, mientras que en el Capítulo 2 aparece un análisis general de actualidad sobre la digestión de lodos, las tecnologías de pretratamiento y la hidrólisis térmica, discutiendo y comparando el escenario actual para revisar los principales problemas en relación a la tesis. La metodología experimental se resume en el Capítulo 3, donde se describen los equipos en que se han llevado a cabo la hidrólisis y la digestión, así como las herramientas de monitoreo y los parámetros claves del proceso. Se ha dedicado una sección especial al diseño experimental y al análisis estadístico como herramienta principal de optimización. En el Capítulo 4 se evalúo la influencia de diferentes combinaciones de temperatura-tiempo-descompresión (variando entre 110 – 180°C, 5 – 50 min, 1 – 3 etapas de descompresión) sobre la degradación anaerobia de lodo secundario. Todas las condiciones probadas presentaron una mayor producción de metano en los valores finales para el día 30 en comparación con el control (muestra no tratada), mostrando un incremento desde el 20% (a 110ºC) hasta el 40% (a 180ºC). Sin embargo, únicamente la temperatura mostró una influencia positiva en la producción de metano, si bien en condiciones extremas de hidrólisis térmica (180ºC, t > 30 min), la fase de latencia aumentó drásticamente hasta 3.5 días, probablemente debido a la formación de compuestos recalcitrantes. Tanto el tiempo de reacción como las etapas de descompresión no mostraron influencia significativa. La hidrólisis térmica a tiempos cortos (5 min) y a temperaturas moderadas (145ºC) parece ser muy atractiva desde el punto de vista de la degradación, ya que presentó un aumento de la producción de metano similar al obtenido a 180ºC, sin influenciar negativamente en la fase de latencia (a diferencia de lo sucedido a 180ºC). Las condiciones óptimas para la hidrólisis térmica del lodo activo fueron determinadas a través de un diseño experimental de tipo Box-Behnken y analizadas usando el Método de Superficies de Respuesta (RSM). Estos resultados se muestran en el Capítulo 5. Se generó un modelo cuadrático polinomial para comparar el rendimiento del proceso para 15 combinaciones de las variables de operación estudiadas (temperatura, tiempo y modo de descompresión). El análisis estadístico de los datos corroboró que la producción de metano y la solubilización se vieron significativamente afectadas por la temperatura de pretratamiento, mientras que el tiempo de reacción y las repetitivas descompresiones tuvieron una menor influencia. La producción máxima de metano (362 mL CH4/gVSfed) se obtuvo para las condiciones óptimas de pretratamiento (163°C, 35 min y 1 etapa de descompresión) mientras que la solubilización máxima del 41% se obtuvo en las condiciones más altas de tratamiento (180°C, 49 min y 1 etapa de descompresión). La superposición de las curvas de contorno de solubilización y de producción de metano mostró que no existen condiciones óptimas de hidrólisis que optimicen ambas variables de forma simultánea. Durante el pretratamiento de alta severidad (temperaturas altas y tiempos largos), la solubilización aumentó bruscamente, mientras que la producción de metano mostró el comportamiento opuesto, indicando la posible formación de material soluble pero no biodegradable. Tras la optimización de los parámetros operativos, el rango de condiciones óptimas estimadas de hidrólisis térmica para mejorar más de un 50% la digestión del fango secundario (de 220 a 360 mL CH4/g VSfed) fueron: 140 – 170°C temperatura de calentamiento, 5 – 35 min tiempo de reacción, y una descompresión súbita. En el Capítulo 6 se evaluó el efecto de sobrepasar la temperatura de pretratamiento térmico por encima del rango estudiado en los capítulos anteriores. Sólo el pretratamiento a 150ºC presentó un aumento en la producción de metano de hasta un 30% (de 254 to 327 mL CH4/g VSfed) en comparación con la muestra no tratada. La producción de metano a partir de fangos pretratados a una temperatura de 200ºC se mantuvo casi constante. Por otro lado, se obtuvo una fase de latencia muy marcada (mayor de 8 días) a las temperaturas más altas, lo que confirma cambios evidentes en el comportamiento de la degradación anaerobia del lodo. De modo contrario a la producción de metano, la eficiencia de solubilización aumentó proporcional al aumento de temperatura, y por lo tanto con la severidad del pretratamiento, mostrando una vez más que la solubilización no es un parámetro fiable para evaluar el rendimiento de la hidrolisis térmica. Los Capítulos 7 y 8 se dedicaron a la evaluación de esquemas alternativos que combinan la hidrólisis térmica y la digestión anaerobia. El primer enfoque (Capítulo 7) trató la digestión separada de las fracciones líquida y sólida del lodo secundario pretratado térmicamente (170ºC, 50 min). Este estudio mostró que el 30% de la materia orgánica particulada se liberó durante el pretratamiento, con el consiguiente incremento de un 30% de la producción de metano (de 259 a 329 mL CH4/g VSalimentados). Esta mejora se atribuyó a la fracción líquida, ya que la biodegradabilidad de la fracción sólida permaneció constante después del pretratamiento. Los balances de masa mostraron que el 34% de los sólidos volátiles fueron solubilizados en la fracción líquida, generando casi el 50% del metano total producido, con una cinética mucho más rápida que la presentada por la fracción sólida. Estos resultados apoyan la hipótesis de una digestión separada de las fracciones líquida y sólida del lodo pretratado térmicamente, ya que resultaría en la disminución del volumen de digestión a la mitad mientras se duplica la producción de metano por kilogramo de lodo llevado a digestión. El segundo enfoque, presentado en el Capítulo 8, se trata de una alternativa al tratamiento térmico: un pretratamiento de presión o "explosión de gas", sin calentamiento. CO2 y CH4 fueron los dos gases utilizados para la presurización del lodo. Las variables evaluadas del proceso fueron presión, tiempo y modo de descompresión (5 – 8 bar, 1 – 10 minutos, modo de descompresión lento o súbito y diferentes etapas de descompresión), y se evaluaron dos tipos de lodos: lodo activo y lodo digerido. Todas las condiciones de pretratamiento evaluadas mejoraron escasamente o directamente no mejoraron ni la solubilización de lodos ni la producción de metano durante la subsiguiente digestión anaerobia. Tampoco se obtuvieron diferencias significativas entre las combinaciones de las variables de pretratamiento o el gas utilizado. La discusión general de los resultados obtenidos en la presente tesis se presenta en el Capítulo 9 junto con una conclusión clara: no existe un óptimo generalizado para todo tipo de lodo ni para todo caso de estudio, y por tanto la propuesta óptima de un esquema de tratamiento dependerá de las regulaciones (disposición, energía, etc.), los valores de mercado actuales (los costes de capital, gestión y energía) y los requisitos específicos de cada situación particular (renovación de una planta de tratamiento de aguas residuales existente o nueva construcción, necesidades de digestión, opciones de gestión disponibles, etc.). Finalmente, en el Capítulo 10 se proponen perspectivas futuras, con el fin de llenar los huecos existentes y poder llevar a cabo una valoración global más completa del proceso combinado de pretratamiento térmico y digestión anaerobia de lodos de depuradora.