ES2258470T3 - Procedimiento para evacuacion de biosolidos y generacion de metano. - Google Patents
Procedimiento para evacuacion de biosolidos y generacion de metano.Info
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Abstract
Procedimiento para la evacuación de biosólidos, que comprende: a. proporcionar un suministro de biosólidos; b. crear un lodo de biosólidos adecuado para inyección; c. elegir una formación para inyección por debajo de la superficie del terreno; d. inyectar el lodo de biosólidos en la formación para inyección; y e. dejar que se degrade el lodo inyectado de biosólidos; caracterizado porque permite que se genere metano por la degradación de los biosólidos inyectados y se recupere el metano generado por la degradación de los biosólidos inyectados, una vez inyectados los biosólidos en la formación para inyección.
Description
Procedimiento para evacuación de biosólidos y
generación de metano.
Sólo en los Estados Unidos, se generan anualmente
más de 10 millones de toneladas de biosólidos procedentes de las
basuras municipales. Los procedimientos principales para la
evacuación de los sólidos biológicos incluyen la aplicación de los
biosólidos a la superficie de terrenos, por ejemplo, terrenos para
cultivos, terrenos en terraplenes o bosques, la obtención de
compost y la evacuación a vertederos. Cada uno de estos
procedimientos lleva asociados sus propios inconvenientes.
Por ejemplo, un inconveniente de la aplicación de
los biosólidos a la superficie del terreno es la resistencia de las
personas que viven en la zona de la aplicación, por las
preocupaciones en cuanto a las molestias tales como el olor y el
polvo que al soplar el viento se produce en el lugar de aplicación.
La aplicación de los biosólidos a los terrenos superficiales y a
los vertederos crea también riesgo de contaminación del agua potable
superficial y del agua subterránea.
Otras condiciones climatológicas pueden también
retrasar negativamente la aplicación de biosólidos al terreno
superficial, y el transporte de los biosólidos al lugar de la
aplicación por medio de camiones crea también contaminación y
molestias. Además, la capacidad para la evacuación de los biosólidos
para aplicación a la superficie del terreno y a los vertederos es
limitada, y los costes correspondientes son en general elevados.
Por otra parte, la descomposición de los biosólidos genera gases de
invernadero, tales como el metano y el dióxido de carbono, y estos
gases se liberan a la atmósfera en los lugares de aplicación a los
terrenos y en la mayoría de vertederos.
En consecuencia, existe la necesidad de un
procedimiento adicional para evacuación de biosólidos que represente
un menor riesgo de contaminación medioambiental. Además, existe
igualmente la necesidad de un procedimiento adicional para
evacuación de biosólidos que sea menos costoso. Por otra parte, se
precisa un procedimiento adicional para evacuar biosólidos que no
permita la liberación a la atmósfera de dióxido de carbono y otros
gases de invernadero. De la misma manera, se comprueba la necesidad
de un procedimiento adicional para evacuar biosólidos que, a partir
de estos últimos, pueda producir subproductos aprovechables.
Según la presente invención, en ella se
proporciona un procedimiento para la evacuación de sólidos tales
como biosólidos. El procedimiento comprende proporcionar un
suministro de biosólidos; crear un lodo de los biosólidos adecuado
para inyección; seleccionar una formación adecuada para inyección
situada al menos a unos 100 m por debajo de la superficie del
terreno; inyectar el lodo de biosólidos en la formación para
inyección; y permitir que se degraden los biosólidos inyectados;
caracterizada porque la formación inyectada seleccionada se separa
de la superficie del terreno por uno o más conjuntos de capas
alternativas de alta y baja permeabilidad.
El suministro de biosólidos puede derivarse de al
menos una fuente seleccionada entre el grupo formado por las
basuras municipales, los residuos de tratamiento del agua, los
residuos animales, los residuos industriales no humanos y no
animales, y una combinación de los anteriores, o bien de cualquier
otra fuente adecuada. La formación para inyección se encuentra
preferentemente entre unos 500 y unos 3.000 metros por debajo de la
superficie del
terreno.
terreno.
En una realización preferida, la formación para
inyección tiene una temperatura superior a unos 25ºC. En otra
realización preferida, la formación para inyección comprende una
formación de gas natural en una zona de acumulación de gas. En otra
realización preferida más, la formación para inyección tiene una
porosidad superior a un 15% aproximadamente.
En una realización preferida, la única o varias
capas alternativas de elevada y baja permeabilidad están formadas
por al menos tres pares de capas alternativas de alta y baja
permeabilidad. En otra realización preferida, el procedimiento
comprende además la creación de fracturas dentro de la formación
para inyección, antes de inyectar los biosólidos en dicha
formación. En otra realización preferida más, el procedimiento
comprende además transportar los biosólidos seleccionados a un
lugar de inyección a través de tuberías, antes de inyectar los
biosólidos.
En una realización preferida, el procedimiento
comprende asimismo la supervisión de la presión en la formación
para inyección en un momento seleccionado entre el grupo formado por
el momento anterior a la inyección de los biosólidos en la
formación para inyección, durante la inyección de los biosólidos en
la formación para inyección, después de inyección de dichos
biosólidos en la citada formación, y una combinación de los
anteriores. En otra realización preferida, el procedimiento
comprende el control de la presión en al menos una capa de la única
o varias capas alternativas una vez inyectados los biosólidos en la
formación para inyección.
En una realización preferida, el procedimiento
comprende además aumentar la velocidad de degradación de los
biosólidos ejecutando una acción seleccionada entre el grupo formado
por mezclar al menos una corriente de residuos con los biosólidos
proporcionados, inocular a los biosólidos al menos una especie de
bacterias, cambiar la temperatura de los biosólidos, cambiar la
salinidad de los mismos, añadir a los biosólidos al menos un
producto químico, y cualquier combinación de los procedimientos
anteriores.
En otra realización preferida, el procedimiento
comprende además aumentar la velocidad de generación de metano
desarrollando una acción seleccionada entre el grupo formado por la
mezcla de al menos una corriente de residuos con los biosólidos
proporcionados, inocular en los biosólidos al menos una especie de
bacterias, cambiar la temperatura de los biosólidos, cambiar la
salinidad de los mismos, añadir a los biosólidos al menos un
producto químico y cualquier combinación de los procedimientos
anteriores.
En una realización preferida, la degradación de
los biosólidos genera un gas seleccionado entre el grupo formado
por el dióxido de carbono, dióxido de azufre, sulfuro de hidrógeno y
combinaciones de los anteriores, y el procedimiento comprende
igualmente disminuir el índice de generación de dióxido de carbono,
dióxido de azufre, sulfuro de hidrógeno o una combinación de los
anteriores realizando una acción seleccionada entre el grupo que
consiste en mezclar al menos una corriente de residuos con los
biosólidos proporcionados, inocular en los biosólidos al menos una
especie de bacteria, cambiar la temperatura de los biosólidos,
cambiar la salinidad de los mismos, añadir a los biosólidos al
menos un producto químico y cualquier combinación de los
anteriores.
Las características, aspectos y ventajas de la
presente invención se entenderán mejor con relación a la descripción
que sigue, a las reivindicaciones adjuntas y a las figuras anexas,
en las cuales:
La Figura 1 es un diagrama esquemático de una
realización del procedimiento para evacuación de biosólidos según
la presente invención.
En una realización, la presente invención es un
procedimiento para la evacuación de sólidos, tales como biosólidos,
que comprende inyectar los biosólidos en formaciones subterráneas
profundas. A continuación se permite que los biosólidos inyectados
sufran biodegradación, utilizándose el calor geotérmico natural de
la superficie profunda del subsuelo. La biodegradación produce
dióxido de carbono, dióxido de azufre, sulfuro de hidrógeno, metano
y otros gases. El dióxido de carbono generado lo absorben las aguas
de formación, dado que es muy soluble en agua, y más soluble que el
metano. El residuo procedente de la biodegradación es un material
sólido rico en carbono que queda permanentemente secuestrado en la
formación subterránea.
En una realización preferida, el metano generado
por los biosólidos mientras se degradan se retira para su
conversión en energía utilizable o se almacena para uso posterior.
En otra realización preferida, la velocidad de biodegradación se
aumenta, o se aumenta la velocidad de producción de metano o se
disminuye la velocidad de producción de dióxido de carbono u otros
productos indeseables de la degradación, a través de la modificación
de las condiciones ambientales en la formación o por la adición de
sustancias o bacterias, o ajustando las propiedades bioquímicas del
lodo de biosólidos que se inyecta en la formación. El presente
procedimiento proporciona importantes ahorros en los costes y
beneficios ambientales, si se compara con las actuales tecnologías
para evacuación de biosólidos.
Tal como se utiliza en la presente memoria, el
término de "biosólidos" se define como partículas sólidas de
materia compuestas predominantemente por material orgánico en
peso.
El procedimiento de la presente invención se
expondrá a continuación con mayor detalle. En primer lugar, se
proporciona un suministro adecuado de biosólidos. En una realización
preferida, los biosólidos tienen una concentración de materia
orgánica biodegradable suficiente para generar cantidades
aprovechables de metano. No es necesario que todos los residuos
sean biodegradables, ni siquiera orgánicos, ya que otros componentes
sólidos de lodo de biosólidos inyectado quedarán permanentemente
enterrados en la formación para inyección.
En una realización preferida, los biosólidos
evacuados por el presente procedimiento se obtendrán de las basuras
municipales o de los residuos de tratamiento de aguas residuales,
como los que se producen en las principales áreas metropolitanas.
Las basuras municipales comprenden biorresiduos humanos, desechos
domésticos, productos de papel higiénico y otros componentes
biológicos, así como materiales minerales y pequeñas cantidades de
productos químicos, tales como disolventes, ácidos, álcalis y
metales pesados, introducidos en la corriente de residuos a través
del sistema municipal de alcantarillado, tales como disolventes,
ácidos, álcalis y metales pesados.
Otra fuente adecuada de los biosólidos son los
residuos animales de lugares en los que se crían o se alojan
animales. Los residuos animales pueden estar mezclados con otros
materiales orgánicos, tales como serrín o paja, o bien estar
mezclados con residuos minerales. Otras fuentes más de biosólidos
adecuados son los lodos de las fábricas de pasta de papel y papel,
los productos residuales del petróleo, incluidas las grasas y ceras,
y los residuos ricos en restos orgánicos dragados de puertos y
estuarios.
Después de proporcionar un suministro adecuado de
biosólidos, se selecciona una adecuada formación subterránea,
designada como "formación para inyección" en la presente
memoria, por debajo de un lugar adecuado para inyección en la
superficie del terreno. La formación consta preferentemente de arena
con elevada porosidad y alta permeabilidad, muy por debajo del agua
subterránea utilizable. Si se encuentra presente, en una realización
particularmente preferida, la porosidad es superior a un 15%
aproximadamente. En una realización particularmente preferida, la
formación para inyección se encuentra por debajo de cualquier capa
freática o agua subterránea que pueda ser extraída para uso humano,
así como por debajo de múltiples capas, gruesas y claramente
definidas, de barreras para el flujo de fluido, de baja
permeabilidad, que alternen con zonas de absorción de fluidos de
alta permeabilidad. Las capas de gran permeabilidad serán
preferentemente arena o material de elevada porosidad. Las capas de
baja permeabilidad comprenderán preferentemente pizarras y otras
rocas que contengan minerales arcillosos y tengan capacidad de
absorción. En una realización preferida, deben existir al menos dos
capas alternadas de alta y baja permeabilidad, que separen
cualquier agua subterránea aprovechable. Si se encuentra presente
en la formación más profunda para inyección, en una realización
particularmente preferida, debe haber al menos cinco capas alternas
de alta y baja permeabilidad que separen cualquier agua subterránea
aprovechable, si es que existe, y la formación para inyección más
profunda.
El volumen total disponible para almacenamiento
de la formación para inyección se puede calcular basándose en el
espesor medio aproximado y en la superficie de la formación para
inyección, la porosidad media de la formación para inyección y la
compresibilidad mecánica de dicha formación, como entenderá
cualquiera al corriente de la técnica, con referencia a esta
memoria.
En otra realización preferida, la formación para
inyección se encontrará al menos a unos 100 m por debajo de la
superficie del terreno. Esta profundidad suele ser en general
suficiente para asegurar el secuestro permanente de los biosólidos
inyectados, incluso sin capas gruesas y claramente definidas de
barreras para el flujo del fluido de baja permeabilidad y zonas
específicas de alta permeabilidad para absorción de los fluidos, y
con la profundidad suficiente para asegurar que los biosólidos
inyectados no representen una amenaza potencial al medio ambiente
ni a los suministros de agua, y lo suficientemente cerca de la
superficie como para permitir la inyección de los biosólidos de
manera económica. En una realización particularmente preferida, la
formación para inyección se encuentra entre unos 500 y 3000 m por
debajo de la superficie del terreno.
El lugar de la inyección exige normalmente menos
de 10.000 m^{2} de terreno superficial, al contrario de las
superficies mayores que se necesitan para los vertederos en
superficie. Además, el uso del mismo terreno superficial según el
presente procedimiento es sólo temporal y, una vez completada la
actividad de evacuación, el terreno de la superficie puede ser
utilizado para otros fines.
El lugar de la inyección y la formación de la
inyección que se utilizan en el presente procedimiento deben
elegirse de manera que se protejan además las aguas subterráneas y
marinas a través de una selección adecuada de un intervalo
geológico adecuado que no invada ni interaccione con las formaciones
superficiales cercanas. Para comprobar que unas formaciones
concretas para inyección sólo contienen fluidos ambiguos y no se
encuentran en comunicación con fuentes de agua menos profundas, se
puede utilizar el análisis geoquímico de los fluidos de la
formación.
Se prefiere igualmente que la formación para
inyección seleccionada haya tenido previamente gas natural, dado
que esto implica que encima de la formación para inyección se
encuentra una zona adecuada de acumulación de metano y que está
tapada por una capa no fracturada de permeabilidad relativamente
baja, a fin de impedir el movimiento posterior hacia arriba del
metano. Esta configuración permite la acumulación de gases generados
por degradación de los biosólidos y retirada de los gases para ser
utilizados como combustible.
Se prefiere además que los lugares para inyección
seleccionados para utilizar con el presente procedimiento tengan
una infraestructura ya existente de recogida y medición de gases, y
un largo historial de operaciones de inyección contenida. Por
ejemplo, las formaciones para inyección preferidas incluyen los
anticlinales de atrapamiento de petróleo y gas que, a lo largo del
período geológico, han demostrado estar totalmente aislados.
Las capas de baja permeabilidad situadas encima,
cuando están presentes, sobre la formación preferida para inyección
proporcionan una barrera permeable a la migración ascendente, como
puede demostrarse por acumulaciones históricas de petróleo/agua, en
las que el petróleo migra hacia arriba hasta que se lo impide una
barrera de permeabilidad. La capa o capas adicionales superiores de
elevada permeabilidad actúan como sumidero del flujo de fluido en
el caso poco probable de un fallo del cemento de la envoltura del
pozo o una rotura de una capa de escasa permeabilidad.
Por ejemplo, si falla el cemento del
revestimiento del pozo o se rompe una capa de permeabilidad y migra
fluido por encima de la capa de baja permeabilidad, la capa de
elevada permeabilidad situada inmediatamente encima absorbe el
exceso de presión y el fluido en movimiento. La presión disminuirá
entonces ligeramente en la formación para inyección y aumentará en
la capa superior. Estos cambios de presión y migración de fluidos
pueden identificarse por medio de monitores situados en ambas
zonas, y por controles periódicos con trazadores de sondeo. La
migración adicional hacia el terreno superior del material residual
no ocurrirá a menos que la segunda capa superior de permeabilidad
elevada esté igualmente sujeta a altas presiones. Para que el
material pueda desplazarse hacia arriba desde la formación para
inyección, el proceso de rotura y absorción en las capas situadas
encima de la formación para inyección debería repetirse para cada
conjunto de capas de permeabilidad elevada y baja permeabilidad por
encima de la formación para inyección.
Por ejemplo, una formación subterránea adecuada
para inyección de biosólidos según la presente invención sería una
formación de arenisca no consolidada, con un espesor de unos 100 m,
situada entre los 100 y 3000 m por debajo del nivel del suelo, en
donde las arenas están mal clasificadas y varían en su textura desde
las muy finas hasta las de grano más grueso. En el intervalo de
1000 m situado inmediatamente encima de la formación para
inyección, se encontraría un material de formación de escasa
permeabilidad y unos 300 m de espesor, encontrándose intercalado
con formaciones de permeabilidad elevada que proporcionan barreras
geológicas adicionales y zonas de seguridad y que pueden ser
fácilmente controladas.
La formación para inyección debe haber sido
utilizada como campo de almacenamiento de gases durante un mínimo
de diez años, la geología de la zona deberá estar perfectamente
caracterizada y haberse comprobado la facilidad de inyección en la
formación. Es preferible que existiera un pozo cercano que pudiera
utilizarse como pozo de observación para fines de control y
supervisión. Además, es preferible que no existan pozos de
extracción de agua subterránea en la zona, debiéndose controlar
regularmente y con gran atención las aguas subterráneas de la
zona.
En otra realización preferida, la presente
invención incluye la creación de fracturas dentro de la formación
para inyección seleccionada a través de la inyección de lodos
residuales a alta presión, como entenderán perfectamente los que
conocen esta técnica, con referencia a la presente memoria.
Una vez elegido un lugar adecuado para la
formación y para la inyección, el equipo de inyección y las
instalaciones accesorias se sitúan en un área adyacente al lugar de
la inyección. El equipo para inyección ocupa preferentemente una
superficie de 10.000 m^{2} o menos, sin que se necesite ninguna
construcción adicional en la superficie ni trabajos de construcción
de viales. Todo el equipo y tanques para los lodos estarán
preferentemente cerrados de manera
hermética.
hermética.
Los aparatos para inyección y formación de lodos
de biosólidos preferidos según la presente invención deben ser
ambientalmente seguros en su manipulación del material residual. Se
prefiere además que puedan clasificar de manera continua las
corrientes de residuos a fin de evitar la introducción de cualquier
material de tamaño excesivo dentro del pozo que pudiera provocar
bloqueos, así como supervisar y registrar los parámetros de la
inyección, tales como caudal, volumen total, presión, densidad y
temperatura, todo ello en tiempo real. Además, se prefiere también
que incluyan controles de velocidad variable conectados a los
sistemas de supervisión, que permiten el control y optimización de
los componentes de formación de lodos, a fin de mantener una calidad
regular en el lodo y una velocidad de alimentación del lodo de
biosólidos con los mejores atributos físicos factibles.
Se preparan pozos adecuadamente recubiertos en
sus paredes y perforados o se modifican y amplían pozos ya
existentes hasta la formación para inyección, y hasta el interior de
la zona de acumulación de metano, si así se desea. Todos los pozos
utilizados en el presente procedimiento están diseñados para poderse
sellar contra la migración de fluidos y gases y se ensayan
periódicamente a fin de asegurarse de que no está teniendo lugar
ningún desplazamiento de los fluidos. La capacidad de cada pozo debe
situarse preferentemente en el rango de 500 a 2000 m^{3} al día
de lodos de biosólidos. Si se eligen lugares múltiples para
inyección profunda, alternándose entre múltiples pozos y varios
intervalos, una sola instalación puede proporcionar durante muchos
años la capacidad para gestionar grandes cantidades de
biosólidos.
En una realización preferida, cada pozo utilizado
en la presente invención tiene varias capas de protección. Una
envoltura exterior de acero (denominada envoltura superficial) se
extiende desde la superficie hasta la máxima profundidad de
cualquier agua subterránea utilizable. Esta envoltura de acero está
rodeada por cemento. Desde la superficie hasta el fondo de la
formación para inyección seleccionada se extienden una o más correas
adicionales de acero para envoltura (denominada la envoltura de
producción). Esta envoltura está igualmente recubierta con
cemento.
Los biosólidos que deben evacuarse se bombean a
través de un tubo de acero pasando por una empaquetadura situada a
una profundidad apropiada, por ejemplo, una profundidad de entre
1500 y 2000 m. En el exterior de la tubería se encuentra una región
anular llena de fluido. La presión de este fluido se vigilará
constantemente a fin de detectar de inmediato cualquier fuga en la
tubería. Si el material inyectado por el tubo presenta una fuga en
la zona anular, el material seguirá contenido dentro de una
envoltura exterior de acero la cual, a su vez, está rodeada por un
recubrimiento de cemento.
Después de elegida una formación adecuada para
inyección, y preparado el lugar, los biosólidos se transportan al
lugar de la inyección. El transporte puede hacerse por carretera. En
una realización preferida, sin embargo, los biosólidos se
transportan por tuberías directamente desde la fuente de producción
de los mismos hasta el lugar de la inyección, que se encuentre
situado lo más cerca posible de la fuente de material.
A continuación, se prepara un lodo acuoso con los
biosólidos que deben ser inyectados en la formación seleccionada
para inyección. La creación de este lodo es particularmente
preferida a fin de permitir la inyección de los biosólidos.
Resumiendo, los biosólidos son dimensionados, cribados y mezclados
con agua a fin de producir un lodo acuoso de biosólidos que sea una
mezcla regular, sin partículas de excesivo tamaño, y que sea
adecuado para su inyección en un pozo perforado con las paredes
recubiertas.
En una realización preferida, un lodo de
biosólidos está diseñado para generar eficientemente metano en las
condiciones presentes en la formación seleccionada para inyección.
Esto se consigue midiéndose las propiedades químicas y biológicas
de la corriente de biosólidos disponible, así como las condiciones
físicas del estrato al que se desea llegar, y ajustándose las
propiedades físicas del lodo a fin de conseguir una generación
eficiente de metano.
Una vez inyectados los biosólidos en la formación
para inyección y bloqueados por los elementos naturales presentes
en la formación y por las zonas de baja permeabilidad situadas
inmediatamente encima de dicha formación para inyección, el
material inyectado se deja sometido a degradación en condiciones
anaeróbicas. Dada una mezcla de sólidos sometida a digestión
anaeróbica, es fácil obtener un cálculo aproximado de la degradación
por la cinética de primer orden:
(1)W =
W_{0}e^{- k \
t}
en donde W es la masa de sólidos
volátiles inyectados que no se han degradado después del tiempo t,
W_{0} es la masa de sólidos depositados, k es el coeficiente de
descomposición y t es el tiempo. En general, el valor de k
dependerá de una serie de factores, que incluyen el pH, la
temperatura, la salinidad, la cantidad mezclada y, en cierta
medida, la concentración de sólidos. Los valores típicos del
exponente k se sitúan en el orden de 10^{-3}, produciendo un
valor de W de entre un 40 y un 60% de degradación al año. Para
inyección continuada, la cantidad de materiales que quedan después
de un determinado tiempo t se determina por integración de la
ecuación 1. La masa de gas producida será generalmente equivalente a
la cantidad de sólidos volátiles inyectados que se han degradado y
está compuesta normalmente por metano (50-60%),
dióxido de carbono (30-40%), nitrógeno e
hidrógeno.
Además de la protección mecánica que proporciona
el diseño del pozo para inyección, y de la protección natural que
facilita la elección de una adecuada formación para inyección, con
barreras múltiples situadas encima y zonas tampón, el presente
procedimiento incluye preferentemente un registro y visualización
continuos y en tiempo real de la respuesta de presión en la zona de
inyección, en la primera zona superior de permeabilidad elevada así
como en el anillo del pozo, con el fin de asegurar que se contengan
sin fugas los biosólidos en la formación para inyección. Se anotará
cualquier fallo o desviación del comportamiento previsto de la
inyección mientras el material está todavía muy por debajo del agua
subterránea, permitiendo así unas medidas reparadoras inmediatas.
El control adicional del proceso puede incluir varios tipos, tales
como el registro y análisis de la presión, registros de
temperatura, mediciones y análisis de la deformación superficial y
control microsísmico, como entenderá perfectamente cualquiera que
conozca la técnica, con referencia a esta memoria. La supervisión
se realiza preferentemente a diversas profundidades por debajo de la
base del agua subterránea.
La presión en el fondo del orificio de la
formación para inyección se supervisa preferentemente de manera
continua durante la inyección diaria y durante la parada nocturna.
Esta información sobre presión se analiza a fin de evaluar el
cambio en el flujo de la formación y en las propiedades mecánicas,
así como en la inyectividad, y determinar la presión parcial de la
formación y la contención del material, como entenderá cualquiera
que conozca esta técnica, con referencia a la presente memoria. Es
preferible que la inyección de fluido dentro de la formación para
inyección se realice periódicamente, con el fin de facilitar la
supervisión del comportamiento de la formación. Si la presión en la
formación para inyección permanece en un valor anormalmente elevado,
no se inyectarán más biosólidos. Como entenderá cualquiera que
conozca la técnica, para que el fluido pueda migrar fuera de la
formación para inyección, debe ocurrir una rotura, y la presión en
la formación para inyección tendrá que ser superior a la presión de
una formación adyacente. Además de la supervisión y el análisis
continuados de la presión, el presente procedimiento incluye
preferentemente la parada periódica del pozo para inyección a fin
de realizar amplios ensayos del pozo y supervisión geológica con
trazador, a fin de evaluar la integridad del pozo y el aislamiento
hidráulico respecto a la zona cercana al pozo.
En otra realización preferida, el presente
procedimiento incluye la recuperación del metano generado por
degradación de los biosólidos inyectados. El metano puede
utilizarse entonces como combustible limpio. Como variante, el
metano producido puede dejarse en la zona subterránea como
suministro almacenado de energía para el futuro. La recuperación
del metano se realiza preferentemente por inyección de los
biosólidos en una formación geológica apropiada con un mecanismo de
atrapamiento. Se prefiere que los biosólidos se inyecten hacia
abajo, por debajo del contacto entre agua-petróleo
o agua-gas de una formación geológica. El metano y
el dióxido de carbono generados migrarán entonces hacia arriba
debido a la segregación de la gravedad. El metano y el dióxido de
carbono producido por la degradación de los biosólidos según la
presente invención se filtrarán a través del agua de la formación
en la que gran parte del dióxido de carbono quedará secuestrado bajo
tierra por disolución en el agua salina de la formación, mientras
que el metano de excelente calidad se acumulará en el recolector de
gas. La diferencia en el secuestro se debe a la solubilidad muy
superior en agua del dióxido de carbono comparado con el metano
(una relación de al menos 10:1) en condiciones de temperatura y
presión típicas de las formaciones geológicas profundas. El metano,
en particular, es un potente gas de invernadero. Con la inyección
de biosólidos en el subsuelo profundo, se elimina la liberación del
gas a la atmósfera y el carbono queda permanentemente secuestrado
en las formaciones salinas
profundas.
profundas.
El metano recuperado de las formaciones profundas
para inyección utilizadas según la presente invención es de mejor
calidad que el generado en los digestores de superficie o en los
vertederos de superficie, por dos razones: En primer lugar, al
filtrarse a través de las aguas de la formación para inyección, el
componente dióxido de carbono de los gases generados quedará en su
mayor parte absorbido, gracias a la solubilidad muy superior del
dióxido de carbono comparado con el metano. En segundo lugar, el
metano generado según la presente invención se encuentra a una
presión superior al metano generado por los vertederos
superficiales, y exige una menor compresión para su almacenamiento
o uso.
Como se puede comprender fácilmente, una vez que
se ha llenado la formación para inyección y se ha extraído el
metano, si se desea, se puede retirar el equipo utilizado para
inyección de biosólidos y recuperación del metano, y abandonarse el
lugar. Con esto se devuelve la superficie del terreno al estado en
el que se encontraba previamente, y se deja el lugar sin
modificación alguna, y en el estado en que se encontraba
previamente.
En una realización preferida, el presente
procedimiento incluye el aumento de la velocidad de biodegradación
de los biosólidos inyectados. Esto se hace modificándose las
condiciones ambientales de la formación para inyección o
añadiéndose sustancias o bacterias, o a través del ajuste de las
propiedades bioquímicas del lodo de biosólidos que se inyecta en la
formación, o bien por medio de una combinación de estas medidas, a
fin de optimizar el proceso de biodegradación. En otra realización
preferida, el presente procedimiento incluye disminuir la velocidad
de producción de productos indeseables, tales como el dióxido de
carbono, dióxido de azufre y sulfuro de hidrógeno.
Por ejemplo, la velocidad de biodegradación puede
aumentarse a través de un ajuste de la temperatura y salinidad del
lodo acuoso, de manera que las propiedades físicas resultantes de
los biosólidos en el subsuelo proporcione un ambiente óptimo para
la biodegradación, dadas las especies de bacterias presentes en los
biosólidos y las propias de la formación para inyección. En otra
realización preferida, se pueden aumentar las velocidades de
biodegradación añadiéndose a los biosólidos, tanto antes como
después de la inyección, unas bacterias apropiadas, naturales o
bien tratadas genéticamente. La inoculación puede utilizarse para
aumentar la velocidad de descomposición de los biosólidos en metano
en condiciones concretas de temperatura y presión en la profundidad
de la formación para inyección, o con el fin de impedir la
producción de productos indeseables de la descomposición, tales
como el dióxido de carbono, el dióxido de azufre y el sulfuro de
hidrógeno. Además, con esta misma finalidad, pueden añadirse al
lodo de biosólidos nutrientes y otros agentes químicos u orgánicos,
tales como los que modifican la acidez, el pH o el potencial de
oxidación, Eh.
Por ejemplo, las bacterias que se utilizan para
promover la biodegradación de los biosólidos inyectados pueden
tener elevadas exigencias de potasio. A un lodo de biosólidos
inyectados se le puede añadir potasio extrínseco, por ejemplo, la
sal soluble de cloruro de potasio (KCl), a fin de promover el
crecimiento bacteriano.
En general, se prefiere que los productos
químicos añadidos al lodo de biosólidos inyectado sean sólo
escasamente solubles en agua, o bien insolubles, de manera que
cualquier producto químico añadido no quede eliminado durante la
expulsión del agua que acompaña a la compactación del material
inyectado en la formación. Una fuente adecuada de potasio para
añadir al lodo de biosólidos sería, pues, un feldespato potásico
finamente triturado que contenga potasio que se libera lentamente
in situ, por influencia de la exposición al agua, las
temperaturas elevadas y la acción bacteriana.
Por ejemplo, la biodegradación en una formación
para inyección puede limitarse con el suministro del material
fosforoso presente en un lodo de biosólidos inyectado. A fin de
mejorar la biodegradación, se puede mezclar con la primera
corriente de residuos una segunda corriente de residuos rica en
material fosforoso, o bien inyectarse separadamente, de manera
simultánea o alternando con el primer lodo de biosólidos. Por
ejemplo, una fuente de residuos rica en material fosforoso puede
proceder de una planta química de residuos de yeso ricos en
fósforo
("fosfo-yeso").
("fosfo-yeso").
En otro ejemplo, algunas corrientes de residuos
contienen biosólidos estériles debido a su alcalinidad, tales como
las corrientes de residuos procedentes de las fábricas de producción
de papel. Para promover la degradación bacteriana de los residuos,
se puede mezclar con la primera corriente una segunda corriente de
residuos que sea ácida, con el fin de ajustar el pH de las
corrientes y promover así la degradación bacteriana del lodo
inyectado.
En otro ejemplo más, pueden inyectarse bacterias
naturales o alteradas genéticamente a un lodo inyectado de
biosólidos para mejorar la degradación. En una realización
preferida, las bacterias añadidas son especies anaeróbicas, debido
a la baja concentración de oxígeno de las formaciones para inyección
utilizadas en la presente invención. En una realización
particularmente preferida, las bacterias son metanogénicas.
Además, para aumentar al máximo la degradación de
los biosólidos en la formación para inyección, aumentar la
velocidad y cantidad de generación de metano y disminuir la
velocidad y cantidad de generación de productos de descomposición
menos convenientes, como el dióxido de carbono, el dióxido de azufre
o el sulfuro de hidrógeno, pueden mezclarse entre sí una serie de
biosólidos que tengan diferentes composiciones. Por ejemplo, una
fuente de residuos animales, rica en material orgánico puede
mezclarse con una fuente de material residual tales como restos de
pasta de papel, serrín de una fábrica de tableros contrachapados,
residuos tratados térmicamente u otros residuos menos ricos en
materiales orgánicos, y que sean también estériles. Las dos
corrientes de residuos se mezclan en las proporciones óptimas, como
entenderá cualquiera que conozca la técnica, con referencia a los
conocimientos de las condiciones in situ de la formación para
inyección, y con referencia también a esta memoria.
En las formaciones para inyección utilizadas en
la presente invención, la temperatura puede variar de los 25ºC (por
ejemplo, una formación para inyección de 1 Km. de profundidad de
Montana, EE.UU.) hasta los 100ºC (formación para inyección con una
profundidad de 3 Km. del Centro-Oeste de California,
EE.UU.). No obstante, se pueden utilizar bacterias termofílicas
adecuadas con formaciones para inyección que tengan temperaturas
considerablemente superiores. La presión varía igualmente en las
profundidades de la formación prevista por la presente invención,
por ejemplo, desde unos 10 MPa a una profundidad de 1 Km., hasta
alrededor de 40 MPa en profundidades de los 3 a los 4 Km. En
consecuencia, las bacterias añadidas al lodo de biosólidos deben
elegirse de manera que sean adecuadas a la temperatura y presiones
que se encontrarán en una formación concreta para inyección.
El procedimiento para la evacuación de biosólidos
según la presente invención tiene, pues, varias ventajas respecto a
las técnicas utilizadas actualmente. En primer lugar, este
procedimiento reduce el impacto potencial y real sobre las aguas
superficiales y las aguas subterráneas que puede ir asociado a la
aplicación superficial de biosólidos, dado que los biosólidos se
inyectan a una profundidad notablemente inferior a cualquier fuente
utilizable de agua subterránea. En segundo lugar, este procedimiento
exige una superficie de terreno mucho menor que si se aplica el
terreno para evacuación de un volumen equivalente de biosólidos. En
tercer lugar, este procedimiento no altera permanentemente la
superficie del terreno una vez completada la evacuación en cada
lugar. Cuarto, dado que los biosólidos pueden bombearse a cada
instalación individual para su evacuación, el presente
procedimiento reduce significativamente o incluso elimina el tráfico
por camión a lugares distantes de evacuación y, como consecuencia,
reduce la contaminación acústica y ambiental asociada a un tráfico
de camiones pesados.
Quinto, el presente procedimiento reduce la
cantidad de metano y dióxido de carbono que se libera a la
atmósfera, si se compara con la aplicación de los biosólidos en la
superficie. Sexto, el metano producido por la degradación de
biosólidos según la presente invención puede recogerse para
utilizarse como fuente de energía. Séptimo, la evacuación de
biosólidos según el presente procedimiento puede reducir
notablemente el coste de gestión de los biosólidos, si se compara
con los procedimientos clásicos de aplicación en superficie, debido
a la menor necesidad o a la eliminación total del transporte en
camiones de los biosólidos a un lugar distante para su
evacuación.
Haciendo ahora referencia a la Figura 1, en ella
se presenta un diagrama esquemático de una realización del
procedimiento para la evacuación de biosólidos según la presente
invención. A1 representa las instalaciones en superficie
(almacenamiento, clasificación, cribado, mezcla, equipo de
supervisión del proceso y de bombeo) para la formulación de mezclas
adecuadas de lodos de biosólidos para su inyección a una
formación.
- A2
- representa el pozo de inyección (o un pozo de inyección perteneciente a una serie de pozos de inyección) que se reviste y se recubre con cemento de manera que resista las presiones de la inyección aplicada durante el período de vida de la instalación.
- A3
- representa el lodo de biosólidos inyectado que ha sido colocado y, gracias a la expulsión del agua sobrante, se ha solidificado rápidamente debido al gran peso de las rocas situadas encima. Una vez que se ha generado todo el metano posible por parte del proceso de biodegradación, A3 se convierte en un estrato denso y de permeabilidad relativamente baja, rico en carbono y otras moléculas orgánicas que no han sido biodegradables en las condiciones existentes en la formación para inyección. El carbono y otras moléculas orgánicas secuestrados no pasarán a la atmósfera creando efectos de invernadero.
- A4
- representa la formación para inyección en la que ha sido inyectado el lodo de biosólidos, A3. A4 tiene una porosidad y permeabilidad suficiente como para recibir los fluidos de lodos sobrantes sin acumulación de presión a largo plazo ni interacción con las aguas subterráneas menos profundas aprovechables. En general, el estrato A4 se elegirá como una capa lateralmente continua de volumen de poros suficiente y conectividad del recorrido del flujo con los estratos adyacentes como para recibir todo el agua expulsada por el lodo de biosólidos durante el proceso de compactación.
- A5
- representa la evolución y el recorrido del movimiento hacia arriba del metano generado por el proceso de biodegradación. Este movimiento ocurre naturalmente dado que el metano tiene un peso específico muy inferior al de cualquier agua intersticial y, en consecuencia, tiende a subir a través del medio poroso, desplazando el líquido de los poros.
- A6
- representa los estratos porosos y permeables en los que se recoge el metano a través de su migración hacia arriba y del proceso de desplazamiento de los líquidos por los poros, pudiendo extraerse de dichos estratos el metano generado para su uso. Esta zona, A6, es una "trampilla" para el metano producido, dada la estructura geológica adecuada, que puede tener la forma de un cierre estructural con lechos plegados que forman una cubeta invertida, como se ilustra, o tener la forma de un cambio de tipo de roca, no ilustrada, en una combinación de los dos, o con cualquier otra disposición adecuada de estratos permeables y de baja permeabilidad.
- A7
- representa las rocas situadas encima de la formación para inyección, que tienen una permeabilidad lo suficientemente baja como para hacer que los gases no puedan fluir hacia arriba a través del espacio de los poros. Por otra parte, las rocas situadas encima A7 no están fracturadas, o están mínimamente fracturadas, por lo que el metano no puede escapar hacia estratos situados a una altura mayor.
- A8
- representa uno o más pozos clásicos de gas que extraen el metano del lugar de acumulación A6. Los pozos de gas, A8, existen ya en el lugar antes de que se inicie la operación de evacuación, o bien se instalan específicamente en forma de pozos forrados y cementados, perforados de manera que el gas pueda fluir al interior del pozo. De acuerdo con la configuración de los estratos, los pozos para extracción de metano A8 pueden ser verticales, horizontales o inclinados.
- A9
- representa una instalación superficial para generación de potencia que puede utilizar el metano extraído como fuente limpia de energía. Como variante, el metano extraído puede enviarse directamente a los consumidores para uso doméstico, uso industrial o para cualquier otra finalidad.
Aunque la presente invención ha sido expuesta con
detalle considerable con referencia a determinadas realizaciones
preferidas, existe la posibilidad de otras realizaciones. Por
ejemplo, el procedimiento de la presente invención puede aplicarse
a la evacuación de sólidos distintos a los biosólidos. En
consecuencia, el ámbito de las reivindicaciones adjuntas no debe
quedar limitado a la descripción de las realizaciones preferidas que
se contienen en la presente memoria.
Claims (21)
1. Procedimiento para la evacuación de
biosólidos, que comprende:
- a.
- proporcionar un suministro de biosólidos;
- b.
- crear un lodo de biosólidos adecuado para inyección;
- c.
- elegir una formación para inyección por debajo de la superficie del terreno;
- d.
- inyectar el lodo de biosólidos en la formación para inyección; y
- e.
- dejar que se degrade el lodo inyectado de biosólidos;
caracterizado porque permite
que se genere metano por la degradación de los biosólidos inyectados
y se recupere el metano generado por la degradación de los
biosólidos inyectados, una vez inyectados los biosólidos en la
formación para
inyección.
2. Procedimiento según la
reivindicación 1, caracterizado porque la formación para
inyección está separada de la superficie del terreno por uno o más
conjuntos de capas alternativas de alta y baja permeabilidad.
3. Procedimiento según las
reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque se supervisa la
presión en al menos una capa de una o más capas alternativas, una
vez inyectados los biosólidos en la formación para inyección.
4. Procedimiento según cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la
formación para inyección se encuentra al menos a unos 100 metros
por debajo de la superficie del terreno.
5. Procedimiento según cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la
formación para inyección comprende una formación de gas natural en
una zona de acumulación de gas.
6. Procedimiento según cualquiera de
las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la
degradación de los biosólidos genera un gas seleccionado entre el
grupo formado por el dióxido de carbono, dióxido de azufre, sulfuro
de hidrógeno y combinaciones de los mismos.
7. Procedimiento según la
reivindicación 6, caracterizado porque comprende la
disminución de la cantidad de dióxido de carbono, dióxido de
azufre, sulfuro de hidrógeno o de una combinación de los mismos que
se hayan generado por la realización de una acción elegida entre el
grupo formado por la mezcla de al menos una corriente de residuos
con los biosólidos proporcionados, la inoculación en los biosólidos
de al menos una especie de bacterias, el cambio de la temperatura
de los biosólidos, el cambio de la salinidad de los biosólidos, la
adición a los biosólidos de al menos un producto químico, o
cualquier combinación de estos procedimientos.
8. Procedimiento según la
reivindicación 7, caracterizado porque el producto químico
añadido a los biosólidos es el potasio.
9. Procedimiento según la
reivindicación 1, caracterizado porque el suministro de
biosólidos se deriva de al menos una fuente seleccionada entre el
grupo formado por residuos y basuras municipales, residuos de
tratamiento de aguas residuales, residuos animales, residuos
industriales no humanos ni animales y una combinación de los
mismos.
mismos.
10. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque la formación para inyección se encuentra
entre unos 500 y unos 3.000 metros por debajo de la superficie del
terreno.
11. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque tiene una temperatura, y porque la
temperatura de la formación para inyección es superior a unos
25ºC.
12. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque tiene una porosidad superior a un 15%
aproximadamente.
13. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque al menos una capa de baja permeabilidad
de la única o de las diversas capas alternativas de alta y baja
permeabilidad comprende pizarra.
14. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque una o más de las capas alternativas de
elevada y baja permeabilidad tiene al menos tres pares de capas
alternadas de alta y baja permeabilidad.
15. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque se crean fracturas dentro de la
formación para inyección antes de inyectar los biosólidos en dicha
formación.
16. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque los biosólidos seleccionados se
transportan a un lugar para inyección a través de tuberías antes de
inyectar los biosólidos.
17. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado por la supervisión de la presión en la
formación para inyección en un momento seleccionado entre el grupo
formado por: antes de la inyección de los biosólidos en la
formación de la inyección, durante la inyección de los biosólidos en
la formación para inyección, después de la inyección de los
biosólidos en dicha formación, y una combinación de los mismos.
18. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque se aumenta la velocidad de degradación
de los biosólidos ejecutándose una acción seleccionada entre el
grupo formado por: mezclar al menos una corriente de agua con los
biosólidos seleccionados, inocular en los biosólidos al menos una
especie de bacterias, cambiar la temperatura de los biosólidos,
cambiar la salinidad de los biosólidos, añadir a los mismos al menos
un producto químico y cualquier combinación de dichos
procedimientos.
19. Procedimiento según la reivindicación
17, caracterizado porque el producto químico añadido a los
biosólidos es el potasio.
20. Procedimiento según la reivindicación 1,
caracterizado porque se aumenta la velocidad de generación
del metano realizándose una acción seleccionado entre el grupo
formado por: mezclar al menos una corriente de agua con los
biosólidos proporcionados, inocular en los biosólidos al menos una
especie de bacterias, cambiar la temperatura de los biosólidos,
cambiar la salinidad de los mismos, añadir a los biosólidos al menos
un producto químico, y cualquier combinación de los citados
procedimientos.
21. Procedimiento según la reivindicación
19, caracterizado porque el producto químico añadido a los
biosólidos es el potasio.
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