ES2372509A1 - Sistema de depuración simultánea de biogás y efluentes residuales industriales mediante microalgas y bacterias. - Google Patents
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Abstract
Sistema de depuración simultánea de biogás y efluentes residuales industriales, incluidos los digestatos generados en las plantas de biogás, mediante la utilización conjunta de microalgas y bacterias que comprende un fotobiorreactor (2) que comprende en su interior un cultivo de microalgas y bacterias oxidadoras de H2S, y una columna de purificación de biogás (3) conectada al fotobiorreactor (2) que comprende una entrada de biogás (11), una entrada de caldo de cultivo procedente del fotobiorreactor (9), una salida de caldo de cultivo tratado (14) y una salida de gas depurado (12) de calidad similar a la del gas natural (biometano), configurada para la difusión del biogás desde su parte inferior en co-corriente con el caldo de cultivo que se recircula desde el fotobiorreactor (2) y una salida para el efluente depurado (13) que puede ser reutilizado.
Description
Sistema de depuración simultánea de biogás y
efluentes residuales industriales mediante microalgas y
bacterias.
La presente invención se engloba dentro del
campo de los sistemas de purificación de biogás y efluentes
industriales, y más en concreto, en purificación del biogás y
efluentes procedente de las plantas de digestión anaerobia de
residuos agroalimentarios.
La eliminación de los contaminantes del biogás
tales como el CO_{2} o el H_{2}S, así como la valorización del
digestato generado, supone un reto importante a la hora de
desarrollar nuevas utilizaciones del biogás, tales como su uso
vehicular o la inyección en la red de gas natural y del propio
digestato tales como efluente para riego, fertilizante,
etc ... Actualmente los procesos de limpieza del biogás están basados en procesos físico-químicos que consumen grandes cantidades de agua, reactivos químicos y energía con el consiguiente impacto medioambiental. Además, el alto coste de estas tecnologías hace que este tipo de procesos sólo sean aplicables a gran escala, dejando un vacío importante para las pequeñas plantas de digestión anaerobia.
etc ... Actualmente los procesos de limpieza del biogás están basados en procesos físico-químicos que consumen grandes cantidades de agua, reactivos químicos y energía con el consiguiente impacto medioambiental. Además, el alto coste de estas tecnologías hace que este tipo de procesos sólo sean aplicables a gran escala, dejando un vacío importante para las pequeñas plantas de digestión anaerobia.
Sería por lo tanto deseable el desarrollo de
tecnologías de bajo coste que permitiesen dar valor añadido al
biogás. En los últimos años se han realizado algunos estudios
encaminados a la reducción de contaminantes del biogás utilizando
microalgas. Esta tecnología presenta un coste reducido y utiliza
subproductos generados en muchos procesos industriales, incluidos
los propios digestatos producidos en las plantas de biogás o las
aguas residuales. Las algas aprovecharían el CO_{2} transferido
desde el biogás y junto con la luz solar y los nutrientes aportados
por diferentes efluentes residuales industriales realizarían el
proceso fotosintético con su consiguiente crecimiento. Además, la
liberación de oxígeno producida en el proceso fotosintético se
utilizaría en el propio fotobiorreactor para la oxidación de la
materia orgánica residual presente en el efluente residual
industrial, así como de otros contaminantes del biogás (como
H_{2}S).
No obstante, los sistemas desarrollados hasta
ahora son en una única etapa, de manera que el proceso de absorción
del CO_{2}, H_{2}S y otros contaminantes del biogás se realiza
dentro del fotobiorreactor, y plantean el problema de que su
efectividad no es elevada y de que el oxígeno generado en el
fotobiorreactor puede no ser consumido por los microorganismos
presentes y transferirse al biogás depurado restringiendo sus
posteriores usos.
El uso de fotobiorreactores cerrados tubulares
en espiral dan lugar a un pobre control sobre la absorción de
CO_{2} y sobre la fluidodinámica del biogás en el reactor tubular
en espiral (tanto horizontal como vertical), que puede originar
problemas durante el escalado de estos sistemas. En
fotobiorreactores a gran escala es necesario introducir unidades de
desgasificación para eliminar las altas concentraciones de oxígeno
fotosintético acumulado en el medio de cultivo (que pueden llegar a
inhibir el crecimiento algal) lo que puede generar la contaminación
del biogás con oxígeno o aire. Además la rápida oxidación del
H_{2}S en el interior del fotobiorreactor es posible que origine
un biofilm de bacterias en el interior del tubo, lo que dificultaría
el paso de luz a las microalgas (Mann et al.
"Biogas-conditioning with microalgae" Agronomy
research. Vol. 7, issue 1, pages 33-38. March
2009).
Conde JL et al. "Biogas purification
process using intensive microalgae cultures". Biotechnology
letters Vol. 15, issue3, pages 317-320. Mar 1993,
divulga un sistema en el que el biogás se introduce en el
fotobiorreactor mediante un sistema biolift, con un pobre control
sobre la transferencia de CO_{2} del biogás al medio de cultivo
algal limitado a la altura del fotobiorreactor, y sobre la captura
posterior total del biogás.
En la publicación de, Mandeno, G.; Craggs, R.;
Tanner, C.; Sukias, J.; Webster-Brown, J.
"Potential biogas scrubbing using a high rate pond", Water
Science & Technology, 51, 253-256, (2005), el
biogás se burbujea dentro de un fotobiorreactor abierto en
contracorriente con el caldo de cultivo, lo que conlleva una peor
transferencia debido a la coalescencia de las burbujas y una pérdida
en la eficiencia de captura del biogás tratado. Además los
parámetros de diseño y operación para mejorar la transferencia de
CO_{2} están unidos a la operación del fotobiorreactor.
La invención se refiere a un sistema de
depuración simultánea de biogás y efluentes residuales industriales,
incluidos los digestatos de las propias plantas de biogás mediante
microalgas y un consorcio de bacterias aerobias que comprende un
fotobiorreactor que comprende en su interior un medio de cultivo de
microalgas y bacterias, y una columna de purificación de biogás
conectada al fotobiorreactor que comprende una entrada de biogas,
una entrada de caldo de cultivo del fotobiorreactor, una salida de
caldo de cultivo tratado y una salida de biogás depurado configurada
para la difusión del biogás desde su parte inferior en
co-corriente con el caldo de cultivo que se
recircula desde el fotobiorreactor.
En el fotobiorreactor tienen lugar los procesos
de:
- -
- crecimiento de microalgas usando el CO_{2} del biogás que se introduce tras el intercambio en la columna de purificación de biogás,
- -
- crecimiento de bacterias oxidadoras de H_{2}S a partir del H_{2}S transferido del biogás y usando el oxígeno producido por las microalgas, y
- -
- si el efluente contiene amonio pueden darse fenómenos de nitrificación, con el consiguiente aumento en la concentración de nitratos y el crecimiento de una biomasa nitrificante (aunque esta biomasa se considera despreciable frente a la biomasa de microalgas).
- \quad
- Obteniéndose:
- -
- Un efluente industrial depurado
- -
- Gas rico en metano en el cual han sido reducidas las concentraciones de CO_{2} y H_{2}S presentes en el biogás inicial a depurar y tras pasar este biogás por la columna que se describirá a continuación.
\vskip1.000000\baselineskip
El sistema comprende un sistema de bombeo de
efluente residual industrial al fotobiorreactor con el objeto de
suministrar los nutrientes y el agua necesaria para el crecimiento
de microorganismos (tanto microalgas asimiladoras de CO_{2} como
bacterias oxidadoras de H_{2}S). Este sistema de bombeo puede
permitir trabajar tanto con medios sintéticos como con efluentes
residuales industriales.
La columna de purificación de biogás está basada
en la difusión del biogás desde su parte inferior en
co-corriente con el caldo de cultivo que se
recircula desde el fotobiorreactor. En esta columna se realiza una
transferencia del CO_{2} y H_{2}S presentes en el biogás al
medio de cultivo del fotobiorreactor con la consiguiente reducción
de la concentración de estos compuestos en el biogás. El caldo de
cultivo se bombea desde el fotobiorreactor y entra por la parte
inferior de la columna de donde sale, también por la parte superior
cargado con el CO_{2} y H_{2}S para posteriormente pasar de
nuevo al fotobiorreactor. En esta columna se dan por tanto la
eliminación de CO_{2} y H_{2}S del biogás de entrada por
transferencia al caldo de cultivo (recirculante) del fotobiorreactor
y la del oxígeno presente en el caldo de cultivo por su uso en la
oxidación parcial del H_{2}S mediante el consorcio de bacterias,
lo que genera un gas depurado rico en metano y libre de oxígeno. Por
la parte superior de la columna sale este gas de tal forma que la
pérdida de carga del gas en la línea de salida sea menor que la
perdida de carga que tendría el biogás tratado si saliese por la
línea de evacuación del medio de cultivo que se recircula al
fotobiorreactor.
- Un sistema de separación de las microalgas del
caldo de cultivo, que abandona el fotobiorreactor en estado
estacionario, que recupera las microalgas para su posterior
valorización (como materia prima para la producción de
biocombustibles- biogas, biodiesel, bioetanol- o como fertilizante)
y producir un efluente industrial depurado y libre de nutrientes
para su descarga a cauces naturales.
Con el procedimiento y sistema descritos, se
consigue una eliminación cercana al 100% del CO_{2} y del H_{2}S
del biogás sin transferencia de oxígeno al gas depurado, debido a la
asimilación fotosintética de CO_{2} acoplada a la oxidación
biológica aerobia de H_{2}S.
El proceso es capaz de producir un biogás libre
de H_{2}S (Concentraciones < 20 ppm) y con concentraciones
de
CO_{2} < 5%.
CO_{2} < 5%.
La operación en régimen estacionario del sistema
constaría de las siguientes etapas, considerándose que el
fotobiorreactor ha sido previamente llenado con agua residual e
inoculado con un consorcio mixto de microalgas y bacterias
oxidadoras de H_{2}S:
- Recirculación del medio de cultivo de
microalgas y bacterias mediante el sistema de paletas dentro del
fotobiorreactor.
- Recirculación del medio de cultivo entre el
fotobiorreactor a la columna de intercambio de gases. La velocidad
de recirculación puede incrementarse con el objetivo de aumentar la
transferencia de CO_{2} y H_{2}S desde el biogás, lo que
mejoraría la calidad del biogás de salida.
- Difusión del biogás desde la zona inferior de
la columna de intercambio de gases, donde se transfiere el CO_{2}
y H_{2}S al caldo de cultivo recirculante.
- Evacuación del biogás por la parte superior de
la columna de burbujeo.
- Bombeo del efluente residual industrial al
fotobiorreactor y evacuación de este efluente industrial tratado y
cargado con biomasa de microalgas y bacterias.
- Sedimentación del efluente residual tratado
con el objeto de separar la biomasa del agua.
- El efluente industrial tratado y libre de
biomasa se descargará a cauces naturales o podría ser utilizada en
el propio proceso o para riego.
A continuación se pasa a describir de manera muy
breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la
invención y que se relacionan expresamente con una realización de
dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de
ésta.
La Figura 1 muestra un esquema del sistema de la
invención.
La Figura 2 muestra un diagrama de medida de
eficiencias de eliminación de CO_{2} y H_{2}S y concentraciones
de O_{2} en el gas depurado de salida.
En las figuras anteriormente citadas se
identifican una serie de referencias que corresponden a los
elementos indicados a continuación, sin que ello suponga carácter
limitativo alguno:
- 1.-
- Sistema de Bombeo del efluente residual industrial.
- 2.-
- Fotobiorreactor.
- 3.-
- Columna de purificación de biogas.
- 4.-
- Sistema de agitación de paletas.
- 5.-
- Entrada de agua y nutrientes (Efluente residual industrial).
- 6.-
- Salida de agua residual.
- 7.-
- Sistema de separación de biomasa.
- 8.-
- Salida de caldo de cultivo del fotobiorreactor hacia la columna.
- 9.-
- equipo de bombeo de caldo de cultivo.
- 10.-
- entrada de caldo de cultivo al fotobiorreactor.
- 11.-
- entrada de biogás.
- 12.-
- salida de biogás tratado.
- 13.-
- Efluente depurado.
- 14.-
- Salida del caldo de cultivo de la columna.
\vskip1.000000\baselineskip
A continuación se describe un ejemplo de
depuración de biogás mediante el sistema mostrado en la figura
1.
Se eligió la microalga Spirnlina
platensis debido a su óptimo crecimiento a valores altos de pH
que favorecen la transferencia de CO_{2} y H_{2}S hacia el medio
cultivo a la vez que evitan la posibilidad de contaminación por
otras cepas de microalgas.
Esta alga se introdujo en un fotobiorreactor (2)
de carrusel abierto con profundidades que oscilan entre
15-30 cm y agitado mediante un sistema de paletas
(4) accionado por un motor de bajas revoluciones con el objetivo de
conseguir velocidades de recirculación del líquido superiores a 15
cm/s con el objetivo de mantener el caldo microbiano en suspensión y
que comprende:
- -
- una entrada (5) del efluente residual industrial acoplada a un sistema de bombeo (1),
- -
- una salida del efluente industrial tratado (6) con la biomasa de microalgas que se llevara a un sistema de separación de biomasa (7). En el presente ejemplo se diseñó un decantador secundario por su bajo coste, facilidad de operación y buena sedimentabilidad de la biomasa formada,
- -
- el sistema de agitación por paletas (4) para la recirculación del caldo de cultivo con el objetivo de evitar la sedimentación de las microalgas y bacterias,
- -
- una salida de caldo de cultivo (8) que contiene microalgas y bacterias conectada a un equipo de bombeo (9) conectado a su vez con una columna de purificación del biogás (3) para la recirculación de dicho caldo de cultivo por la columna de purificación (3) en la que se ha introducido una mezcla de 70% CH_{4}, 30% CO_{2} y H_{2}S 500-5000 ppm (simulando un biogás sintético) para el intercambio de gases por la entrada de biogás (11) dando lugar a un gas rico en metano que sale por la salida superior (12) de la columna con una cantidad de (CO_{2}) y H_{2}S muy inferior a las de entrada a la columna (3).
\vskip1.000000\baselineskip
El caldo de cultivo abandona el fotobiorreactor
en estado estacionario y se introduce en un sistema de separación de
las microalgas (7) con una salida para el efluente depurado (13) que
puede ser reutilizado. Se empleó en el presente ejemplo un
sedimentador circular con purga de la biomasa decantada por la parte
inferior.
La tabla 1 muestra los valores de trabajo del
fotobiorreactor (2) y la columna de absorción (3):
\vskip1.000000\baselineskip
\vskip1.000000\baselineskip
Los resultados obtenidos fueron:
- -
- Desarrollo de un proceso de bajo coste capaz de producir un gas similar al gas natural, ideal para ser inyectado a la red de gas o para uso vehicular, y a la vez depurar efluentes residuales industriales, incluidos los digestatos procedentes de plantas de biogás.
- -
- Eliminación del 100% del H_{2}S del biogás.
- -
- Eliminación del CO_{2} presente en el biogás en un porcentaje superior al 90%.
- -
- Eliminación del oxígeno generado en el fotobiorreactor mediante su utilización en la oxidación del H_{2}S por parte del consorcio de bacterias empleado dentro de la columna de purificación del biogás.
- -
- Las concentraciones de O_{2} en el efluente gaseoso de la columna de absorción disminuyeron al aumentar la concentración de H_{2}S en el influente de biogás aproximadamente desde el 1,3% hasta 0,1% debido al aumento en la demanda de O_{2} para la oxidación de H_{2}S por parte de las bacterias
- -
- Obtención de un gas rico en metano (biometano) con unos valores de CH_{4} superiores al 97%, de CO_{2} por debajo del 3% y libre de H_{2}S y de oxígeno. Estos resultados se muestran en la Figura 2.
Claims (5)
1. Sistema de depuración simultánea de biogás y
efluentes residuales industriales incluidos los digestatos
procedentes de plantas de biogás, mediante microalgas y bacterias,
caracterizado por comprender:
- -
- un fotobiorreactor (2) que contiene en su interior un cultivo de microalgas capaces de asimilar el CO_{2}, y bacterias con capacidad de oxidar el H_{2}S,
- -
- una columna de purificación de biogás (3) conectada al fotobiorreactor (2) que comprende una entrada de biogás (11), una entrada de caldo de cultivo procedente del fotobiorreactor (2), una salida de caldo de cultivo tratado (14) y una salida de biogás depurado (12), configurada para la difusión del biogás desde su parte inferior en co-corriente con el caldo de cultivo que se recircula desde el fotobiorreactor (9).
\vskip1.000000\baselineskip
2. Sistema de depuración del biogás según
reivindicación 1 caracterizado por que comprende un sistema
de bombeo de agua residual (1) al fotobiorreactor (2).
3. Sistema de depuración del biogás según
reivindicación 1 caracterizado por que el fotobiorreactor (2)
comprende
- -
- una entrada (5) del efluente industrial acoplada al sistema de bombeo (1),
- -
- una salida del efluente depurado (6) con la biomasa de microalgas y bacterias formada,
- -
- un sistema de agitación por paletas (4) para la recirculación del caldo de cultivo configurado para evitar la sedimentación de las microalgas y bacterias,
- -
- una salida de caldo de cultivo (8) del fotobiorreactor que contiene microalgas y bacterias conectada a un equipo de bombeo (9) conectado a su vez con la columna de purificación del biogás (3).
\vskip1.000000\baselineskip
4. Sistema de depuración del biogás según
reivindicación 1 caracterizado por que comprende un sistema
de separación de biomasa (7) conectado a la salida del efluente
industrial (6) del fotobiorreactor (2).
5. Sistema de depuración del biogás según
reivindicación 4 caracterizado por que el sistema de
separación de masa (7) es un decantador secundario.
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|---|---|---|---|
| ES201131671A ES2372509B1 (es) | 2011-10-18 | 2011-10-18 | Sistema de depuración simultánea de biogás y efluentes residuales industriales mediante microalgas y bacterias. |
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