ES2638239B1 - Procedimiento de monitorización de digestores anaerobios - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de monitorización de digestores anaerobios, que hace uso de un dispositivo que comprende una celda de combustión microbiana (1) vinculada a un digestor anaerobio (2) a través de al menos un primer conducto (3) y un segundo conducto (4), un voltímetro (13) que determina la diferencia de potencial eléctrico creada en el interior de la celda de combustión microbiana (1), y una unidad de control (14) que recibe las medidas determinadas por el voltímetro (13). El ánodo (7) de la celda de combustión microbiana (1) es alimentado por un flujo continuo que comprende una mezcla de efluente y biomasa procedente del interior del digestor anaerobio (2), lo que permite una monitorización precisa y continua del proceso de digestión que se lleva a cabo en el interior de dicho digestor anaerobio (2).
Description
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PROCEDIMIENTO DE MONITORIZACION DE DIGESTORES ANAEROBIOS
DESCRIPCION
OBJETO DE LA INVENCION
La presente invention se encuadra en el campo tecnico del tratamiento biologico de aguas residuales, as^ como en el de las celdas de combustion microbiana, y se refiere en particular a un procedimiento de monitorizacion y control de los factores de riesgo que afectan al proceso de digestion anaerobia realizado en reactores o digestores, estando dicho procedimiento basado en una celda de combustion microbiana anexa y conectada a un digestor anaerobio, que permite relacionar la actividad microbiana presente en el reactor con la generation de un potencial electrico.
ANTECEDENTES DE LA INVENCION
La digestion anaerobia es una tecnica de tratamiento de residuos organicos mediante la accion de microorganismos que, en condiciones anaerobias, descomponen dicha materia organica. Este proceso genera diversos gases, entre los cuales destacan el dioxido de carbono (CO2) y el metano (CH4).
Los procesos de digestion anaerobia comprenden habitualmente cuatro etapas fundamentales y sucesivas:
- Hidrolisis, en la cual se reduce el tamano de los polimeros organicos que conforman la biomasa para facilitar el acceso a ellos por parte de los microorganismos, dando lugar a azucares, aminoacidos y acidos grasos simples.
- Acidogenesis, que resulta de la ruptura de los componentes restantes por bacterias fermentativas dando lugar a acidos grasos volatiles, amoniaco, dioxido de carbono, acido sulfhidrico y otros subproductos.
- Acetogenesis en la que las moleculas procedentes de la acidogenesis son digeridas por bacterias productoras de acetatos, para producir fundamentalmente acido acetico, dioxido de carbono e hidrogeno.
- Metanogenesis, en la cual las bacterias productoras de metano emplean los
productos intermedios de las etapas previas para convertirlos en metano, dioxido de carbono y agua, siendo los dos primeros los principales componentes del biogas emitido por el sistema. La metanogenesis ocurre a valores de pH comprendidos entre 6.5 y 8.
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En los llamados biodigestores o digestores de residuos organicos se aprovecha esta liberation de gases para ser posteriormente empleados como combustible. En su forma mas simple, los biodigestores comprenden un contenedor cerrado, hermetico e impermeable llamado reactor, dentro del cual se deposita el material organico con una 10 determinada dilution de agua.
La digestion anaerobia es un proceso biologico muy delicado debido al elevado numero de factores que afectan a la actividad de los microorganismos y que pueden provocar fallos temporales o totales del sistema. Para la recuperation del funcionamiento de los 15 digestores seria necesario llevar a cabo un re-arranque de los mismos, lo cual implica la necesidad de detener el proceso durante largos periodos de tiempo, la imposibilidad de tratar residuos durante dichos periodos y, en consecuencia, tanto unos elevados costes economicos como unos posibles impactos ambientales y problemas de operation en la planta derivados de la acumulacion de residuos sin estabilizar.
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Controlar de manera individual cada uno de los factores de riesgo es una option costosa, tecnologicamente complicada y que requiere un elevado grado de especializacion de los operarios de planta por lo que, en la actualidad, el seguimiento de los digestores se realiza en base a variaciones en la produccion de biogas o de factores tales como el pH o 25 la acumulacion de acidos. Sin embargo, en la mayoria de las ocasiones la detection de fallos en el digestor mediante estos metodos no es inmediata a la aparicion de dichos problemas con lo que el sistema ya ha podido resultar seriamente danado, llegandose a situaciones criticas e irreversibles.
30 Se conoce en el estado de la tecnica la utilization de celdas de combustion microbianas como biosensores para realizar el control de los factores de riesgo del proceso de digestion anaerobia de residuos. Dichas celdas estan alimentadas con el efluente final de un digestor de flujo de tipo ascendente, teniendo la consideration de un sistema independiente y posterior al reactor.
Esta configuration implica que las poblaciones bacterianas del digestor y de la celda de combustion no sean las mismas y que, por tanto, la respuesta ofrecida por la celda no sea representativa del comportamiento real del digestor. Ademas, al utilizar el efluente de reactores de flujo ascendente es muy posible que la detection de problemas en el lecho 5 del reactor no sea automatica, por lo que no se aporta una solution a los problemas descritos previamente.
DESCRIPCION DE LA INVENCION
10 El objeto de la invention consiste en un procedimiento para monitorizar los parametros de riesgo del proceso de digestion anaerobia que se produce en el interior de un digestor, que hace uso de un dispositivo que comprende una celda de combustion microbiana anexa a dicho digestor y que esta vinculado a el mediante un sistema de recirculation que permite relacionar la actividad microbiana presente en el reactor con la generation
15 de un potencial electrico en el interior de la celda del dispositivo, estando dicha celda vinculada ademas a un voltimetro que determina el potencial electrico en el interior de dicha celda, y a una unidad de control que recibe las mediciones efectuadas en el voltimetro.
20 El procedimiento se fundamenta en la determination del potencial electrico de la celda microbiana en condiciones estables y la posterior realizacion del seguimiento de dicho potencial, de modo que en el momento en el que se detecten variaciones significativas de potencial la unidad de control emite un aviso de fallo en el sistema antes de que se produzca un desestabilizacion irreversible del mismo.
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La celda de combustion microbiana del dispositivo empleado en el procedimiento esta conformada por un par de primeras placas, preferentemente de polimetilmetacrilato, con un canal de flujo y separadas por una membrana de intercambio cationico que divide la celda en dos compartimentos: anodo y catodo.
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En la parte del anodo se encuentra la biomasa responsable de la oxidacion de la materia organica procedente del reactor. Esta biomasa del anodo es analoga a la existente en el interior de dicho reactor, ya que como se ha indicado anteriormente la recirculacion se realiza del contenido del reactor, que comprende tanto el efluente entrante en dicho
reactor como parte de su lecho de biomasa.
En la parte del catodo se produce una reduction de hierro a partir de un catolito, compuesto preferentemente por una disolucion de 16,470 g/L de Fe(III)[CN]63- y un 5 tampon fosfato 0,02 M.
A cada uno de los lados de las primeras placas de polimetilmetacrilato de la celda se vinculan otras dos segundas placas, preferentemente de grafito, que actuan como electrodos.
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Todos los elementos de la celda de combustion microbiana estan vinculados entre si mediante dos terceras placas adicionales de polimetilmetacrilato fijadas por unos tornillos realizados en un material no conductor, preferentemente plastico.
15 Los electrodos de la celda estan conectados a un voltlmetro, preferentemente dotado de una resistencia interna de alrededor de 1000Q, que cierra el circuito y realiza una medicion de la diferencia de potencial entre los electrodos del circuito en tiempo real, preferentemente en continuo.
20 Dicho voltlmetro esta asimismo vinculado a una unidad de control que recibe las medidas determinadas en tiempo real por el voltlmetro y, en caso de producirse variaciones significativas en el potencial electrico del interior de la celda de combustion microbiana, emite una senal de aviso destinada a un operario responsable del control del digestor anaerobio para que se inicie un protocolo de actuation que detecta y soluciona la causa 25 de dicha variation en el potencial electrico antes de la paralizacion total del proceso de digestion anaerobia.
La caracterlstica de que la poblacion bacteriana presente en la celda de combustion microbiana del dispositivo sea analoga a la existente en el digestor, permite que la 30 respuesta ofrecida sea totalmente representativa en tiempo y forma al funcionamiento del digestor. Ademas, dado que la poblacion microbiana desarrollada en el bioanodo de la celda se renueva constantemente con aportes de microorganismos procedentes del digestor, tanto la celda microbiana como el digestor funcionan como un unico sistema capaz de adaptarse a cambios en la poblacion microbiana sin variar la precision de su
funcionamiento.
Del mismo modo, esta recirculacion de microorganismos permite que, en el momento de la puesta en marcha del dispositivo, la inoculacion de biomasa en la membrana de la 5 celda del dispositivo se realice de forma autonoma, evitando la extraction de parte de un digestato procedente de la digestion anaerobia para la inoculacion manual de la membrana como paso previo a su instalacion como ocurre con otros dispositivos.
Esto otorga una gran versatilidad al dispositivo y al procedimiento a el asociado al 10 permitirle ser instalado en cualquier reactor independientemente del residuo que se este tratando, ya que la poblacion microbiana de la celda que oxida la materia organica procedente del reactor se forma a partir de la misma poblacion microbiana existente en el reactor. Igualmente, en caso de producirse algun problema en la poblacion de microorganismos de la membrana, el dispositivo es capaz de auto-repararse mediante el 15 aporte constante de nuevos microorganismos procedentes del digestor.
Los costes energetico y de mantenimiento del procedimiento son practicamente nulos, existiendo unicamente los costes derivados de la necesidad de un pequeno volumen de recirculacion y del mantenimiento del dispositivo a la misma temperatura de operation 20 existente en el reactor. Este procedimiento de monitorizacion es posible en reactores de todo tipo y el funcionamiento de su dispositivo asociado es adaptable tanto a las condiciones de operacion como al tipo de residuo a tratar.
DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS
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Para complementar la description que se esta realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprension de las caracteristicas de la invention, de acuerdo con un ejemplo preferente de realization practica de la misma, se acompana como parte integrante de dicha descripcion, un juego de dibujos en donde con caracter ilustrativo y no limitativo, se 30 ha representado lo siguiente:
Figura 1.- Muestra una vista esquematica de la disposition del dispositivo asociado al procedimiento de monitorizacion en un digestor anaerobico.
Figura 2.- Muestra una vista esquematica del dispositivo asociado al procedimiento monitorizacion de digestores anaerobios, en la que se aprecian sus principales elementos constituyentes.
5 REALIZACION PREFERENTE DE LA INVENCION
Seguidamente se proporciona, con ayuda de las figuras anteriormente referidas, una explication detallada de un ejemplo de realization preferente del objeto de la presente invencion.
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El dispositivo asociado al procedimiento de monitorizacion de digestores anaerobios que se describe comprende una celda de combustion microbiana (1) vinculada a un digestor anaerobio (2) a traves de un primer conducto (3) que transporta parte tanto del efluente como de la biomasa contenidos en el interior del digestor anaerobio (2) hacia el interior 15 de la celda de combustion microbiana (1) para proceder a una determination del potencial electrico creado por el contenido del digestor anaerobio (2) y posteriormente, a traves de un segundo conducto (4) devolver dicho contenido al interior del digestor anaerobio (2), como se muestra en la vista esquematica de la figura 1.
20 La celda de combustion microbiana (1) comprende a su vez un primer par de placas (5) de polimetilmetacrilato separadas entre si por medio de una membrana de intercambio cationico (6). Dicha membrana de intercambio cationico (6) divide la cavidad interior de la celda de combustion microbiana (1) en un primer compartimento, correspondiente al anodo (7) y un segundo compartimento, correspondiente al catodo (8).
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Como se muestra en la figura 2, el primer conducto (3) introduce en el anodo (7) de la celda de combustion microbiana (1) un flujo continuo de la mezcla de efluente y biomasa procedente del interior del digestor anaerobio (2), que tras ser oxidada en el interior de dicha celda de combustion microbiana (1) es recirculada al interior del digestor anaerobio 30 (2) a traves del segundo conducto (4).
Por otro lado, el catodo (8) se encuentra conectado mediante un tercer conducto (9) y un cuarto conducto (10) a un deposito (11) contenedor de catolito. En la realizacion preferente aqu descrita el catolito comprende una disolucion de 16,470 g/L de
Fe(NI)[CN]63- y un tampon fosfato 0,02 M, de forma que en el interior del catodo (8) se produce una reduction de hierro.
Asi, el hierro procedente del deposito (11) es conducido a traves del tercer conducto (9) 5 hacia el interior del catodo (8) en forma de cation ferrico (Fe3+), donde es reducido a ferroso (Fe2+), siendo dicho cation ferroso posteriormente recirculado hacia el deposito (11) por el cuarto conducto (10).
Cada una de las respectivas placas del primer par de placas (5) de la celda de 10 combustion microbiana (1) esta vinculada a cada una de las placas de un segundo par de placas (12) de grafito, actuando dichas placas del segundo par de placas (12) como electrodos.
Un voltimetro (13) dotado de una resistencia de 1000Q y conectado a cada una de las 15 placas de grafito del segundo par de placas (12) cierra el circuito electrico creado en la celda de combustion microbiana (1) y mide en tiempo real la diferencia de potencial del circuito electrico. Se preve que dicho voltimetro (13) este asimismo vinculado a una unidad de control (14) que recibe las medidas determinadas en tiempo real por el voltimetro (13).
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Un tercer par de placas (15) de polimetilmetacrilato recubre exteriormente a la celda de combustion microbiana (1), teniendo dicho tercer par de placas (15) practicados unos orificios para permitir la entrada del primer conducto (3) y el segundo conducto (4) que vinculan a la celda de combustion microbiana (1) con el digestor anaerobio (2).
25
El procedimiento de monitorizacion de digestores anaerobios que hace uso del dispositivo asi descrito comprende por tanto las siguientes fases:
- entrada en el anodo (7) de la celda de combustion microbiana (1) de un flujo 30 continuo que comprende una mezcla de efluente y biomasa procedente del interior del
digestor anaerobio (2) para su oxidacion,
- entrada en el catodo (8) de la celda de combustion microbiana (1) procedente del deposito (11) de un catolito para su reduccion,
- medicion por parte del voltimetro (13) de la diferencia de potencial creada en
el interior de la de la celda de combustion microbiana (1) debida a las reacciones de oxidacion y reduction,
- transmision de la diferencia de potencial medida por el voltimetro (13) a la unidad de control (14), y
5 - salida del anodo (7) de la celda de combustion microbiana (1) de la mezcla de
efluente y biomasa oxidada a traves del segundo conducto (9) para su retorno al interior del digestor anaerobio (2).
En caso de producirse variaciones significativas en el potencial electrico de la celda de 10 combustion microbiana (1), la unidad de control (14) emite una senal de aviso destinada a un operario responsable del control del digestor anaerobio (2) para que se inicie un protocolo de actuation que detecta y soluciona la causa de dicha variation en el potencial electrico antes de que se produzca la paralizacion total del proceso de digestion anaerobia.
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Claims (4)
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REIVINDICACIONES
1. Procedimiento de monitorizacion de digestores anaerobios, que hace uso de un dispositivo que comprende una celda de combustion microbiana (1) vinculada a un digestor anaerobio (2) a traves de al menos un primer conducto (3) y un segundo conducto (4), un voltimetro (13) que determina la diferencia de potencial electrico creada en el interior de la celda de combustion microbiana (1), y una unidad de control (14) que recibe las medidas determinadas por el voltimetro (13), en el que la celda de combustion microbiana (1) comprende a su vez:
- un primer par de placas (5) separadas entre si y elaboradas en un material no conductor electrico,
- una membrana de intercambio cationico (6) que divide el espacio existente entre las placas del primer par de placas (5) en un primer compartimento, correspondiente a un anodo (7) dotado de una poblacion microbiana analoga a la del interior del digestor (2), y un segundo compartimento, correspondiente a un catodo (8),
- al menos un tercer conducto (9) y un cuarto conducto (10) que vinculan el catodo (8) a un deposito (11) contenedor de catolito, y
- un segundo par de placas (12) elaboradas en un material conductor vinculadas a las placas del primer par de placas (5),
caracterizado porque comprende las siguientes fases:
- entrada en el anodo (7) de un flujo continuo que comprende una mezcla de efluente y biomasa procedente del interior del digestor anaerobio (2) para su oxidacion,
- entrada en el catodo (8) de un catolito procedente del deposito (11) para su reduccion,
- medicion por parte del voltimetro (13) de la diferencia de potencial creada en el interior de la celda de combustion microbiana (1) debida a las reacciones de oxidacion y reduccion,
- transmision de la diferencia de potencial medida por el voltimetro (13) a la unidad de control (14), y
- salida del anodo (7) de la mezcla de efluente y biomasa oxidada a traves del
segundo conducto (9) para su retorno al interior del digestor anaerobio (2).
2. Procedimiento de monitorizacion de digestores anaerobios de acuerdo con la revindication 1 caracterizado porque la unidad de control (14) emite una senal de aviso
5 cuando detecta variaciones significativas en el potencial electrico determinado por el voltimetro (13) en el interior de la celda de combustion microbiana (1) para evitar la parada del digestor anaerobio (2).
3. Procedimiento de monitorizacion de digestores anaerobios de acuerdo con la 10 reivindicacion 1 caracterizado porque el voltimetro (13) realiza la determination de la
diferencia de potencial creada en el interior de la celda de combustion microbiana (1) en tiempo real.
4. Procedimiento de monitorizacion de digestores anaerobios de acuerdo con la 15 reivindicacion 1 caracterizado porque el catolito contenido en el deposito (11) comprende
una disolucion de cation ferrico que es introducido en el interior del catodo (8) a traves del tercer conducto (9) para ser reducido a cation ferroso.
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