ES2925577T3

ES2925577T3 - Procedimiento para el tratamiento y generación de energía a partir de biomasas

Info

Publication number: ES2925577T3
Application number: ES17748569T
Authority: ES
Inventors: Nicola Pastore; Concetta Immacolata Giasi
Original assignee: A S A C Soc A Responsabilita Limitata
Current assignee: A S A C Soc A Responsabilita Limitata
Priority date: 2016-06-14
Filing date: 2017-06-13
Publication date: 2022-10-18
Anticipated expiration: 2037-06-13
Also published as: HRP20221013T1; EP3469086A2; PL3469086T3; DK3469086T3; EP3469086B1; WO2017216720A3; WO2017216720A2

Abstract

La presente invención se relaciona con un proceso para el tratamiento y generación de energía a partir de biomasa y una planta donde se implementa el proceso, comprendiendo dicho proceso los pasos de (i) proporcionar una biomasa (1), y caracterizado por comprender los pasos de: (ii)) diluir la biomasa (1) con un diluyente hasta un contenido en sólidos volátiles comprendido entre el 0,5% y el 1% del volumen de dicha biomasa (1); (iii) alcalinizar la biomasa (1) del inciso ii con una solución básica (3), hasta un pH comprendido entre 11,0 y 13,0, en donde dicha biomasa (1) del inciso ii y dicha solución básica (3) se encuentran en un peso relación comprendida entre 1:20 y 1:80; (iv) hidrolizar la biomasa alcalinizada del punto iii, por un tiempo comprendido entre 30 y 90 minutos, a una temperatura comprendida entre 55°C y 80°C, obteniendo así una biomasa hidrolizada (4); (v) neutralizar la biomasa hidrolizada (4) del punto iv, mediante difusión de C02 a partir de un biogás producido por digestión anaeróbica, obteniendo así un lodo hidrolizado y neutralizado (5); (vi) realizar la digestión anaeróbica, a través de un primer digestor anaeróbico (6), de dichos lodos hidrolizados y neutralizados (5), obteniendo así un biogás (60), un primer digestato (61), un lodo anaeróbico (62). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento para el tratamiento y generación de energía a partir de biomasas

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un procedimiento para el tratamiento y generación de energía a partir de biomasas, mediante digestión anaeróbica. Además, la presente solicitud divulga una planta en la que puede implementarse dicho procedimiento para el tratamiento de biomasas.

Técnica anterior

En el estado de la técnica, la estabilización anaeróbica se usa para la valorización energética de las biomasas. La digestión anaeróbica representa un procedimiento válido para la valorización energética y la consiguiente eliminación de biomasas, pero tiene la limitación de ser costoso y voluminoso.

De acuerdo con el estado de la técnica, un procedimiento para aumentar la eficiencia de la digestión anaeróbica es espesar la biomasa húmeda mediante el aumento del contenido de sólidos totales. Este procedimiento podría ser inconveniente tanto por los costos relacionados con el espesamiento como por la disminución progresiva de la eficiencia de la digestión anaeróbica a medida que aumenta el contenido de sólidos volátiles.

En la literatura científica y técnica existen varios procedimientos para mejorar la digestibilidad de la biomasa. Los enfoques más interesantes se basan en el tratamiento térmico, el tratamiento enzimático, la desintegración mecánica, la ultrasonicación y la hidrólisis termoquímica.

El primero parece ser muy prometedor ya que permite solubilizar hasta el 70 % de los sólidos totales que forman los lodos biológicos.

La hidrólisis termoquímica, de acuerdo con el estado de la técnica, se realiza en estado catalítico ácido (pH 1-3) o alcalino (pH 11-13) a temperaturas comprendidas entre 60 °C y 120 °C y con un tiempo de tratamiento que normalmente oscila entre 1 hora y 6 horas.

Las evidencias experimentales muestran que, a medida que aumenta el contenido de sólidos totales junto con los sólidos volátiles presentes en la biomasa, la eficiencia del tratamiento de hidrólisis termoquímica disminuye significativamente y, en consecuencia, la digestibilidad anaeróbica de la biomasa disminuye, lo cual reduce la eficiencia energética del procedimiento.

El documento núm. WO8804282 A1 divulga un procedimiento para la reestructuración del tratamiento de lodos de aguas residuales y residuos sólidos acondicionados para eliminar sólidos no biodegradables y convertir materia biodegradable en gas metano combustible. Este procedimiento de tratamiento y generación de energía a partir de biomasa incluye las etapas de: i. proporcionar una biomasa; ii. diluir opcionalmente la biomasa con un diluyente; iii-1. someter opcionalmente el lodo a una reducción del tamaño de partícula; iii-2. someter el lodo a hidrólisis enzimática; iii-3. Alcalinizar la biomasa de la etapa iii-2 con una solución básica; iv. hidrolizar la mezcla bajo aplicación de calor, así se obtiene una biomasa hidrolizada; v. neutralizar la biomasa hidrolizada a través de la difusión de CO²a partir de un biogás producido por digestión anaeróbica, y así se obtiene un lodo hidrolizado y neutralizado; vi. Realizar la digestión anaeróbica, mediante un primer digestor anaeróbico de dichos lodos hidrolizados y neutralizados, así se obtiene un biogás, un primer digestato y un lodo anaeróbico.

Clarkson y otros (W.W. Clarkson, X. Xiao; Bench-scale anaerobic bioconversion of newsprint and office paper. Water Sci Technol 1 de febrero de 2000) divulgan un procedimiento para la bioconversión de papel periódico y papel de oficina de residuo, realizado en reactores a escala de prueba, con tres fuentes de inóculo: vertedero, rumen y digestor anaeróbico.

Park C. y otros (Chulhwan Park, Chunyeon Lee, Sangyong Kim, Yu Chen, Howard A. Chase, Upgrading of anaerobic digestion by incorporating two different hydrolysis processes, Journal of Bioscience and Bioengineering, volumen 100, número 2, 2005, páginas 164-167) describen un estudio destinado a investigar cómo aumentar la eficiencia de la digestión anaeróbica de lodos activados residuales (WAS). Se utilizó hidrólisis termoquímica o biológica como un pretratamiento y se investigaron y compararon los efectos de ambos. Dos sistemas diferentes de digestión de tres etapas mostraron un rendimiento mejorado, aunque la hidrólisis termoquímica mostró mejores resultados que la hidrólisis biológica en una operación a escala de prueba. Después de la digestión anaeróbica con pretratamiento termoquímico, la reducción de la demanda química total de oxígeno (tCOD), la reducción de sólidos volátiles (VS), el rendimiento de metano y el contenido de biogás de metano fueron 88,9 %, 77,5 %, 0,52 m3/kg VS y 79,5 %, respectivamente.

Stamatelatou K. y otros (Stamatelatou, Katerina & Antonopoulou, G. & Ntaikou, loanna & Lyberatos, Gerasimos. (2013). Chemlnform Abstract: The Effect of Physical, Chemical, and Biological Pretreatments of Biomass on Its Anaerobic Digestibility and Biogas Production. Chemlnform. 44) divulgan varios procedimientos de pretratamiento desarrollados para hacer que las materias alimenticias orgánicas sean más susceptibles a la digestión anaeróbica. Dos tipos de materias alimenticias requieren la aplicación de pretratamiento para mejorar la biodegradabilidad anaeróbica: aquellas que contienen polímeros lignocelulósicos (biomasa vegetal, etc.) y aquellas que contienen polímeros de tipo microbiano (lodo de alcantarillado activado, etc.). La eficiencia del procedimiento se evalúa con respecto al aumento del biogás producido en la etapa posterior de la digestión anaeróbica y los otros objetivos de la configuración general del tratamiento.

Neumann P. y otros (Neumann, P., Pesante, S., Venegas, M. y otros Developments in pre-treatment methods to improve anaerobic digestion of sewage sludge. Rev Environ Sci Biotechnol 15, 173-211 (2016)) divulgan pretratamientos para hidrolizar lodo y, en consecuencia, mejorar la producción de biogás, la eliminación de sólidos y la calidad del lodo después de la digestión. El estudio es una descripción general de diferentes tecnologías, mediante el análisis de sus efectos sobre las propiedades de los lodos y la digestión anaeróbica.

Sumario de la invención

El Solicitante ha descubierto ahora que es posible aumentar significativamente la digestibilidad anaeróbica de la biomasa mediante la optimización de la solubilidad de la Demanda Química de Oxígeno (COD), con un bajo consumo de energía.

De acuerdo con la presente invención, este propósito se logra a través de un procedimiento para tratar y generar energía a partir de biomasas de acuerdo con la reivindicación 1.

El procedimiento de acuerdo con la presente invención permite la producción de un biogás (biometano) con un alto grado de pureza, con un contenido de CO2 inferior al 0,2 %, y una mejora de la eficiencia energética del procedimiento de tratamiento de la biomasa, hasta un rendimiento con una eficiencia superior al 100 %.

Además, la solicitud divulga una planta de tratamiento de biomasa, que no forma parte de la presente invención, en la que puede implementarse el procedimiento de acuerdo con la presente invención.

Descripción de las figuras

Figura 1: Diagrama de flujo que representa las principales etapas y los productos obtenidos mediante el tratamiento de la biomasa 1 de acuerdo con la presente invención. La Figura 1 representa dos realizaciones preferentes del procedimiento de acuerdo con la invención en las que la dilución ii de la biomasa 1 se realiza al reciclar la fracción de fase líquida 63 percolada del lodo anaeróbico 62 o al reciclar el primer digestato 61. Por lo tanto, las formas de reciclaje que se divulgan en la Figura 1 con los símbolos R1 o R2 son alternativas. Además, la Figura 1 muestra el ciclo de producción de la fase líquida 611 del segundo digestato 610, en el que dicha fase líquida 611 del segundo digestato 610 se usa como inoculante para desencadenar la digestión anaeróbica vi en el primer digestor anaeróbico 6.

Figura 2: Esquema de una planta para el tratamiento de biomasas de acuerdo con el procedimiento reivindicado en la presente invención, que comprende un reactor de hidrólisis 11, un reactor de columna 51 que comprende un acumulador 52 y un primer digestor 6 en comunicación de fluido. El reactor de hidrólisis 11 está equipado con un sistema de calentamiento (tal como una resistencia eléctrica). El reactor de columna 51 está equipado con un sistema de recirculación que reinyecta el material a neutralizar en la parte superior de la columna de neutralización. El primer digestor anaeróbico 6 está equipado con un sistema de calentamiento (tal como una resistencia eléctrica). La realización divulgada en la Figura 2 muestra incluso el sistema de recirculación del primer digestato 61 y de la fracción líquida 63 del lodo anaeróbico 62, aptos para su respectiva reinyección al reactor de hidrólisis 11.

Descripción detallada de la invención

Con referencia a la Figura 1 adjunta, se representan esquemáticamente en un diagrama de flujo las etapas principales del procedimiento de acuerdo con la presente solicitud, donde como biomasa 1 se indica un sustrato adecuado para transformar y generar energía de acuerdo con la presente invención.

En general, se entiende por biomasa cualquier material que tenga una fracción biodegradable de origen biológico procedente de la forestación y la agricultura, que comprende tanto sustancias vegetales como animales; cualquier producto, residuos y sobrantes de la industria maderera y papelera; cualquier producto orgánico, residuos y sobras que tengan una fracción biodegradable derivada de la actividad biológica humana y animal, tales como los contenidos en los residuos industriales y urbanos.

Dentro de los objetivos de la presente invención, dicha biomasa 1 se elige entre al menos uno de los siguientes sustratos: lodos biológicos, residuos orgánicos, aguas de proceso, lodos residuales tratados o no tratados procedentes de las plantas de tratamiento de aguas residuales urbanas, domésticas e industriales, lodos residuales de procedimientos de producción tratados o no, en los que los residuos orgánicos son residuos orgánicos resultantes de plantas de compost, que comprenden residuos derivados de la agricultura, horticultura y preparación de alimentos, lodos resultantes de plantas de tratamiento de aguas residuales civiles e industriales. Dentro de los objetivos de la presente invención se entiende por lodo biológico los lodos producidos a partir de aguas residuales urbanas y/o industriales caracterizados por un alto contenido de humedad.

Por aguas de proceso se entienden las aguas residuales obtenidas de procedimientos agroindustriales, tales como las aguas de vegetación resultantes de la producción de aceite de oliva, el suero de leche resultante de los procedimientos de elaboración del queso o los efluentes de lavado resultantes del procesamiento del vino. Se entiende por lodos residuales, tratados o no, los procedentes de las plantas de tratamiento de aguas residuales urbanas, domésticas e industriales, los lodos producidos a partir de procedimientos de purificación de aguas residuales urbanas y domésticas; los lodos provenientes de fosas sépticas; los lodos provenientes de las plantas de tratamiento de aguas residuales agroindustriales. Se entiende por lodos residuales de procedimientos de producción, tratados o no, los resultantes de la agricultura alimentaria; de los procesamientos de papel y madera; lodos resultantes del procesamiento de textiles y cuero; lodos resultantes de la industria petrolera o derivados de procedimientos químicos orgánicos e inorgánicos.

El procedimiento objeto de la presente solicitud asegura ventajosamente tratar tanto biomasas húmedas como biomasas secas (con bajo contenido de humedad), en el que se entiende por biomasa húmeda una biomasa que tiene un contenido de humedad entre 99 % y 95 % en peso; en el que por biomasas secas (con bajo contenido de humedad) se entiende una biomasa que puede recogerse con pala con un contenido de humedad inferior al 75 %. En una realización preferente, dicha biomasa 1 está formada por lodos residuales tratados o no, resultantes de las plantas de tratamiento de aguas residuales urbanas.

De acuerdo con la presente invención, la biomasa 1 se somete a una etapa de dilución ii mediante un diluyente hasta un contenido en sólidos volátiles comprendido entre el 0,5 % y el 1 % del volumen de dicha biomasa 1.

Preferentemente, la biomasa 1 y el diluyente se combinan, en la etapa de dilución ii, con el fin de obtener un porcentaje de sólidos volátiles entre el 0,5 % y el 1 % del volumen de dicha biomasa 1.

Ventajosamente, dicha etapa de dilución ii permite obtener, mediante las siguientes etapas de alcalinización iii e hidrólisis iv, una mayor solubilización de los sólidos contenidos en la biomasa, solubilización que aumenta la digestibilidad del material al iniciar la etapa de digestión anaeróbica y por tanto el rendimiento energético del procedimiento.

El diluyente es un líquido acuoso, en el que se entiende por líquido acuoso un líquido que comprende una cantidad de agua superior al 50 % en peso sobre el peso total del líquido. Obsérvese que, de acuerdo con una realización alternativa, se usa agua como diluyente.

En el objeto de la presente invención, por COD (Demanda Química de Oxígeno) se entiende la cantidad de oxígeno (mg 02/1) necesaria para la oxidación completa de los compuestos orgánicos e inorgánicos contenidos en una muestra de agua.

La biomasa diluida 1 se somete, mediante el uso de una solución alcalina (básica), a una etapa de alcalinización iii, hasta un pH entre 11,0 y 13,0, en el que dicha biomasa diluida 1 y dicha solución básica 3 están en relación peso sobre peso comprendidas entre 1:20 y 1:80.

La solución básica 3, dentro del objeto de la presente invención, es preferentemente una solución básica fuerte al 20 % (peso/volumen). Aún con mayor preferencia, dicha solución alcalina 3 es una solución de hidróxido de sodio al 20 % (peso/volumen).

La biomasa 1 así alcalinizada, se somete a una etapa de hidrólisis iv durante un tiempo comprendido entre 30 y 90 minutos, a una temperatura comprendida entre 55 °C y 80 °C.

Ventajosamente, la etapa de hidrólisis iv conducida permite, con un consumo energético entre 0,95 y 2,85 KWh por metro cúbico de biomasa, generar una biomasa hidrolizada 4 caracterizada por una eficiencia de solubilización de los sólidos contenidos dentro de la biomasa de hasta el 90 %.

La eficiencia de solubilización de los sólidos contenidos dentro de la biomasa se mide en términos de la relación entre la COD, determinada sobre la fracción clara (sobrenadante) obtenida por filtración y centrifugación del material hidrolizado, y la COD total del material hidrolizado.

La biomasa hidrolizada 4 tiene un pH comprendido entre 10,0 y 13,0 unidades de pH. Posteriormente, la biomasa hidrolizada 4 se somete a una etapa de neutralización v del pH, que alcanza preferentemente un valor de pH entre 6,0 y 8,0 unidades de pH.

Aún con mayor preferencia dicha etapa de neutralización v se lleva a cabo hasta que dicha biomasa hidrolizada 4 alcance un valor de pH entre 7,5 y 7,7.

La etapa de neutralización v se realiza mediante la difusión de CO2 a partir de un biogás producido a partir de un procedimiento de digestión anaeróbica, hacia la biomasa hidrolizada 4 que resulta de la etapa de hidrólisis iv.

Preferentemente, la difusión de dióxido de carbono en la etapa de neutralización v se realiza en un reactor de columna 51, saturado con el biogás obtenido por digestión anaeróbica, y cargado con material inerte, preferentemente gránulo de polietileno, caracterizado por una porosidad preferentemente superior a 0,5 y una superficie específica preferentemente entre 140 y 700 m-1.

Dentro de los reactores de columna 51, el biogás se mantiene a una presión de 0,05 bar.

El reactor de columna 51 en el que se produce la etapa de neutralización v está equipado con un tanque de acumulación 52 (acumulador) que recoge la biomasa hidrolizada 4 y la proporciona encima de la columna de neutralización (reactor de columna 51).

La biomasa hidrolizada 4 alimenta el reactor de columna 51 por la parte superior y se recircula preferentemente con flujo descendente, por gravedad (de arriba hacia abajo), hasta su completa neutralización.

Una biomasa hidrolizada y neutralizada 5 se obtiene de la etapa de neutralización v, en la que dicha biomasa hidrolizada y neutralizada 5 se envía luego a un primer digestor anaeróbico 6 con el fin de someterse a la etapa de digestión anaeróbica vi.

De la etapa de digestión anaeróbica vi de la biomasa hidrolizada y neutralizada 5 se obtienen tres productos: el biogás 60, el primer digestato 61 y el lodo anaeróbico 62.

En una realización preferida del procedimiento de acuerdo con la presente invención, la etapa de neutralización v se lleva a cabo mediante la difusión de dióxido de carbono a partir del biogás 60, producido por la etapa de digestión anaeróbica vi, hacia la biomasa hidrolizada 4.

Cuando el biogás 60 se usa para la etapa de neutralización v de la biomasa 5 neutralizada e hidrolizada, la etapa de neutralización tiene el doble objetivo de purificar el biogás 60 a partir del dióxido de carbono y al mismo tiempo neutralizar la biomasa 5 hidrolizada y neutralizada, de manera que puede usarse a partir de la siguiente etapa de digestión anaeróbica vi.

El biogás 60, cuando se emplea durante la etapa de neutralización v de la biomasa hidrolizada y neutralizada 5 y se purifica del dióxido de carbono contenido en ella, da lugar a un biometano 70, preferentemente caracterizado por un porcentaje de dióxido de carbono inferior al 0,2 %.

Debido a la alta digestibilidad de la biomasa hidrolizada y neutralizada 5 que ingresa al primer digestor anaeróbico 6, el rendimiento de producción del biogás 60 de la etapa de digestión anaeróbica vi es particularmente ventajoso, caracterizado por un tiempo de residencia promedio igual a 2 días y una alta eficiencia de energía.

El material a la salida del digestor anaeróbico 6 está constituido por:

i. Un digestato 61 que presenta una reducción de los sólidos volátiles igual al 90 % respecto a la biomasa de entrada;

ii. Un lodo anaeróbico 62 que, tras una simple percolación, presenta un contenido en humedad también inferior al 15 %.

El digestato 61 a la salida del digestor anaeróbico puede enviarse a purificación mediante oxidación biológica o usarse ventajosamente para riego fertilizante.

El lodo anaeróbico 62 puede enviarse a eliminación o usarse ventajosamente para valorización energética o agronómica.

En una primera realización preferida, dicho primer digestato 61 es el diluyente usado dentro del procedimiento de acuerdo con la presente invención.

En una segunda realización preferida, el procedimiento de acuerdo con la presente solicitud de patente se caracteriza por una etapa de percolación adicional del lodo anaeróbico 62, en la que se obtiene una fase líquida 63 percolada a partir del lodo anaeróbico 62 y una fracción sólida 64 a partir del lodo anaeróbico 62. De acuerdo con dicha segunda realización preferida, dicha fase líquida 63 percolada del lodo anaeróbico 62 se usa como diluyente. En otra realización, el lodo anaeróbico 62 se usa como biomasa de entrada en el procedimiento objeto de la presente solicitud de patente. Aún con mayor preferencia, el desencadenante de dicha etapa de digestión anaeróbica vi se realiza mediante la inoculación de una fase líquida 611 de un segundo digestato 610 dentro del primer digestor anaeróbico 6.

Dicha fase líquida 611 del segundo digestato 610 se obtiene preferentemente a través de una digestión anaeróbica de un segundo digestor anaeróbico 100 alimentado con residuos agrícolas y zootécnicos.

El segundo digestato 610 así obtenido es preferentemente percolado con el fin de obtener una fase líquida 611 de dicho segundo digestato 610.

En la realización preferida del procedimiento objeto de la presente invención, la fase líquida 611 del segundo digestato 610 se inocula en el primer digestor anaeróbico 6, de manera que dicha fase líquida 611 del segundo digestato 610 se encuentra en una relación volumétrica entre 2:1 y 1:2 con la biomasa hidrolizada y neutralizada 5. La presente solicitud divulga también una planta para el tratamiento y generación de energía a partir de biomasas de acuerdo con el procedimiento de la presente invención; la planta, como tal, no forma parte de la presente invención. En particular, dicha planta se caracteriza por comprender

II. Medios de dilución de la biomasa (1) con un diluyente hasta un contenido en sólidos volátiles comprendido entre el 0,5 % y el 1 % en volumen de dicha biomasa (1);

III. Medios para alcalinizar la biomasa (1) del inciso II con una solución alcalina (3) que alcanza un valor de pH entre 11,0 y 13,0, en el que dicha biomasa (1) del inciso II y dicha solución básica (3) se encuentran en una relación en peso comprendida entre 1:20 y 1:80.

IV. Medios para hidrolizar la biomasa alcalinizada del inciso III, por un tiempo comprendido entre 30 y 90 minutos, a una temperatura entre 55 °C y 80 °C y obtener una biomasa hidrolizada (4);

V. Medios para la neutralización de la biomasa hidrolizada (4) del inciso IV, mediante difusión de CO²a partir de un biogás producido por digestión anaeróbica y obtención de una biomasa hidrolizada y neutralizada (5);

VI. Medios para digerir de manera anaeróbica, mediante un primer digestor anaeróbico (6), dicha biomasa neutralizada e hidrolizada (5) y obtener un biogás (60), un primer digestato (61) y un lodo anaeróbico (62).

De acuerdo con una realización preferida, dichos medios para hidrolizar la biomasa alcalinizada permiten llevar a cabo una hidrólisis de dicha biomasa alcalinizada durante un tiempo entre 30 y 120 minutos y a una temperatura entre 55 °C y 80 °C.

Obviamente, un experto en la técnica, con el fin de satisfacer necesidades contingentes y específicas, puede realizar varias modificaciones a las realizaciones antes mencionadas, todas las cuales están dentro del ámbito de protección de las siguientes reivindicaciones.

Ejemplos

Los siguientes ejemplos se adjuntan aquí únicamente con fines ilustrativos y, por lo tanto, no pretenden representar una limitación para la presente invención.

Con el fin de probar el procedimiento objeto de la presente invención se construyó una planta piloto, capaz de tratar un volumen de biomasa igual a 0,35 m3.

Como se muestra en la figura 2, la planta piloto consta de los siguientes elementos esenciales:

iii. Un reactor de hidrólisis 11 con una capacidad volumétrica de 0,4 m3 formado por un tanque cilíndrico aislado de acero inoxidable, un agitador, un sistema de calentamiento por resistencia eléctrica y sensores para monitoreo de pH y temperatura;

iv. Una columna de neutralización 51 formada por un tanque cilíndrico aislado de acero inoxidable con una capacidad volumétrica de 0,4 m 3 cargado de gránulos de polietileno de porosidad 0,5, de manera que el volumen operativo resulte igual a 0,2 m3, alimentado por arriba con la biomasa a neutralizar y por abajo con el biogás producido por la siguiente etapa de digestión anaeróbica;

v. Un tanque acumulador 52 (acumulador), alimentado con la biomasa a neutralizar que cae en caída libre, constituido por un tanque cilíndrico aislado de acero inoxidable con un volumen de 0,1 m3, que tiene un sistema de recirculación que reinyecta el material a neutralizar en la parte superior de la columna de neutralización y sensores para monitoreo de pH y temperatura;

vi. Un primer digestor anaeróbico 6, con medios de filtración, constituido por un tanque cilíndrico aislado de acero inoxidable, con un volumen de 0,75 m3, cargado de piedra pómez de porosidad 0,5 de manera que el volumen operativo sea igual a 0,35 m3, que tiene un sistema termostático de calentamiento del agua que garantiza una temperatura constante de 35 °C.

La biomasa de entrada objeto de los presentes ensayos experimentales, descrita en el siguiente ejemplo, está formada por lodos biológicos resultantes de una planta de tratamiento de aguas residuales cuyas características se reportan en la tabla 1.

Ejemplo comparativo 1 (sin dilución)

Un volumen igual a 0,35 m3 de lodo biológico caracterizado en la Tabla 1 se ha introducido en el reactor de hidrólisis.

Tabla 1. Caracterización de los lodos biológicos usados.

Sólidos totales 1,59 % _(p/p)

Agua 98,41 % _(p/p)

PH 6,82

Sólidos volátiles 75,95 % (respecto al TS)

Cenizas 24,05 % (respecto al TS)

COD soluble 82 mg/l (filtrado y centrifugado)

COD total 18.690 mg/l

El lodo biológico se ha alcalinizado bajo agitación suave mediante la adición de una solución de hidróxido de sodio al 20 % p/v, hasta un valor de pH de 12,6.

Posteriormente el material se ha calentado hasta alcanzar una temperatura de 68 °C al cabo de 1 hora y se mantienen dichas condiciones durante seis horas bajo ligera agitación con un consumo energético de 1,31 KWh. El material hidrolizado presenta las características resumidas en la tabla 2.

Tabla 2. Caracterización del fango hidrolizado.

COD soluble 5.720 mg/l (filtrado y centrifugado)

COD total 17.380 mg/l

En el acumulador se ha introducido un volumen igual a 0,0875 m3 de lodos hidrolizados que alimenta la columna de neutralización por la parte superior, con un caudal de recirculación descendente que retorna al acumulador en caída libre.

Una columna de neutralización contiene, a una presión de unos 50 mbar, un volumen de biogás de 0,21 m3, producido por la etapa de digestión anaeróbica, que tiene un porcentaje de dióxido de carbono del 20,46 % en volumen de dicho biogás.

Después de 2 horas de tratamiento el material de salida presenta un valor de pH igual a 7,6 y el análisis de biogás muestra un porcentaje de dióxido de carbono igual a 9,43 %.

Se ha vuelto a alimentar el acumulador con el mismo volumen de lodo hidrolizado y se ha vuelto a realizar la etapa de neutralización.

Después de 2 horas, el material de salida muestra un pH igual a 7,8 y el análisis de biogás muestra un porcentaje de dióxido de carbono igual a 0,08 %.

Una vez absorbido el dióxido de carbono, se ha sustituido el biogás de la columna de neutralización por un nuevo volumen de biogás a purificar, y se ha repetido la etapa de neutralización del lodo hidrolizado hasta la neutralización completa de 0,35 m3 de material hidrolizado.

Finalmente, el material neutralizado e hidrolizado ha sido introducido en el digestor anaeróbico.

El disparo del digestor anaeróbico se ha realizado mediante un inóculo, constituido por la fracción líquida de un digestato resultante de un digestor anaeróbico alimentado con residuos agrícolas y zootécnicos, diluido con el lodo hidrolizado en una proporción igual a 1:1.

A los 3 meses desde la puesta en marcha se ha establecido la gestión de forma continua óptima del digestor anaeróbico.

El mejor desempeño del digestor anaeróbico alimentado con los lodos neutralizados e hidrolizados se presenta en la tabla 3.

Tabla 3. Datos relativos al mejor desempeño del digestor alimentado con los lodos biológicos tratados.

Tiempo de retención hidráulica (HRT) 2días

Digestato

COD (digestato) 3.880 mg/l

Sólidos totales % (p/p) del digestato 0,9

Sólidos volátiles % del digestato 31,06

Biogás producido 1,09 m3/m3

Porcentaje de CH ⁴ en el biogás 65,53 % (vol/vol)

El consumo energético promedio diario para la operación del digestor anaeróbico fue de 1,72 KWh.

Ejemplo 2 (con dilución)

Un lodo biológico con las mismas características resumidas en la tabla 1, antes de ser introducido en el reactor de hidrólisis, se ha diluido en una relación volumétrica 1:1,2 mediante el uso de un digestato procedente de un digestor anaeróbico, que tiene las características mostradas en la Tabla 3, y que produce un lodo cuyas características se muestran en la Tabla 4.

Tabla 4. Caracterización de los lodos biológicos diluidos con el digestato.

Sólidos totales 1,21 % _(p/p)

Sólidos Volátiles 57,72 % (respecto a TS)

COD soluble 139 mg/l (medido en lodos filtrados y centrifugados)

COD total 9.701 mg/l

Se ha introducido en el reactor de hidrólisis un volumen de 0,35 m3 de dicho lodo diluido.

Bajo ligera agitación, el lodo biológico se ha alcalinizado mediante la adición de una solución de hidróxido de sodio al 20 %, y ha alcanzado un pH igual a 12,6.

Posteriormente el material se ha calentado hasta alcanzar al cabo de 1 hora una temperatura de 68 °C, se ha mantenido dicha condición durante dos horas bajo ligera agitación con un consumo energético de 0,72 KWh.

El material hidrolizado obtenido presenta las propiedades reportadas en la tabla 5. Posteriormente, el lodo hidrolizado siguió el mismo procedimiento de neutralización descrito en el ejemplo comparativo 1 y finalmente se ha introducido en el digestor anaeróbico.

Tabla 5. Caracterización del lodo filtrado.

COD soluble 8.470 mg/l (sobre el lodo filtrado y centrifugado)

COD total 9.170 mg/l

El mejor rendimiento del lodo neutralizado e hidrolizado se muestra en la tabla 6.

Tabla 6. Datos sobre el mejor rendimiento del digestor anaeróbico alimentado con lodos biológicos diluidos mediante el uso del digestato.

Tiempo de residencia hidráulica (HRT) 2días

Digestato

COD 1.480 mg/l

Sólidos totales % (p/p) 0,7

Sólidos volátiles % 20,58

Biogás producido 1,25 m3/ m3

Porcentaje de CH ⁴ en el biogás 75,24 % (vol/vol)

En la tabla 7 se presenta la comparación de la eficiencia energética del procedimiento para el tratamiento de 0,35 m3 de lodo biológico, con y sin etapa de dilución del lodo biológico con el digestato proveniente del digestor anaeróbico.

Tabla 7. Comparación entre la eficiencia energética del procedimiento probado en planta piloto con y sin la etapa de dilución del lodo biológico mediante el uso del digestato proveniente del digestor anaeróbico y considerando una potencia calorífica del metano igual a 9,59 KWh/m3 y una eficiencia global del sistema de calentamiento igual a 0,97.

Consumo de energía térmica (KWh) Sin dilución Con dilución

Hidrólisis 1,31 1,60

Digestión anaeróbica 3,44 7,64

Total 4,75 9,24

Energía térmica producida (KWh) 6,65 19,45

Eficiencia 39,94 % 105,65 %

Ejemplo 3 (sin dilución)

Un lodo biológico con las mismas características reportadas en la Tabla 1, antes de introducirse en el reactor de hidrólisis, se ha diluido con agua de manantial. La biomasa diluida bajo ligera agitación se ha alcalinizado mediante la adición de una solución de hidróxido de sodio al 20 %, y se ha alcanzado un valor de pH igual a 12,6.

Posteriormente, el lodo diluido se ha calentado hasta una temperatura de 68 °C después de 1 hora, se han mantenido estas condiciones durante dos horas con agitación suave.

La Tabla 8 muestra la mejora de la eficiencia de solubilización de los sólidos contenidos en la biomasa de entrada medida en términos de la relación entre la COD, determinada en la fracción clara (sobrenadante) obtenida por filtración, y centrifugación del material hidrolizado, y la COD total del material hidrolizado cuando cambia el porcentaje de dilución.

Tabla 8. Mejora de la eficiencia en la solubilización de los sólidos contenidos en la biomasa de entrada, cuando cambia el porcentaje de dilución.

Dilución (%) Sólidos volátiles % (p/p) COD total (mg/l) COD soluble (mg/l) Eficiencia (%)

0 1,33 19.840 6.510 32,81 %

20 1,05 14.980 7.020 46,86 %

30 0,98 13.930 6.540 46,95 %

50 0,69 8.730 8.008 91,73 %

Ejemplo 4

La biomasa de entrada objeto de los ensayos descritos en el presente ejemplo está constituida por residuos orgánicos procedentes de una planta de compost, que comprende preferentemente residuos derivados de la agricultura, horticultura y preparación de alimentos, lodos procedentes de depuradoras de aguas residuales civiles e industriales y residuos sólidos, triturados preventivamente y mixtos, que tienen las características de la Tabla 9.

Tabla 9. Caracterización de una muestra de residuo procedente de una planta de compost.

pH 8,00 %

Contenido de humedad 73,40 %

Residual a 105 °C 26,60 g/100g

Residual a 600 °C 6,8 g/100g

Los residuos se han diluido mediante el uso de un digestato procedente de un digestor anaeróbico con las características que se indican en la Tabla 10.

Tabla 10. Caracterización del digestato usado como diluyente.

Sólidos totales 0,75 % (p/p)

Sólidos volátiles 32,03 % (comparado con ST)

COD total 1.480 mg/l

En concreto, se han usado tres relaciones de dilución diferentes: 1:50, 1:25, 1:10.

La Tabla 11 resume la caracterización de los residuos diluidos para las diferentes relaciones de dilución.

Tabla 11. Caracterización de los residuos diluidos con diferentes relaciones de dilución.

Relación de dilución Sólidos totales (%) Sólidos volátiles (%) (en comparación COD total (mg/l] con tS)

1:50 1,26 49,70 10.022 1:25 1,74 57,00 14.616 1:10 3,10 65,24 26.282

Para cada relación de dilución se ha introducido en el reactor de hidrólisis un volumen de 0,35 m3 de dichos residuos diluidos.

Bajo ligera agitación, el residuo diluido ha sido alcalinizado mediante la adición de una solución de hidróxido de sodio al 20 %, lo que alcanza un pH igual a 12,6.

Posteriormente el material se ha calentado hasta alcanzar una temperatura de 68°C al cabo de 1 hora y se mantiene tal condición durante una hora y media, preferentemente dos horas, bajo ligera agitación con un consumo energético de 0,72 KWh. El material hidrolizado obtenido tiene las características resumidas en la tabla 12.

Tabla 12. Caracterización del material hidrolizado variando la relación de dilución.

Relación de dilución COD total (mg/l) COD soluble (mg/l) (filtrado y centrifugado)

1:50 9.960 6.970

1:25 14.660 6.438

1:10 26.356 5.797

Posteriormente, el material hidrolizado ha seguido el mismo procedimiento de neutralización descrito en el ejemplo comparativo 1 y finalmente se ha introducido en el digestor anaeróbico.

El mejor rendimiento obtenido con el lodo neutralizado e hidrolizado se muestra en la tabla 6.

Tabla 13. Datos relativos al mejor desempeño del digestor alimentado con los residuos tratados variando la relación de dilución.

Tiempo de residencia (HRT) (día) 2días

Relación de dilución 1:50 1:25 1:10

Digestato

COD 2.534 3.794 6.753

Sólidos totales % (p/p) 0,51 0,82 1,66

Sólidos volátiles % respecto al TS 0,12 0,19 0,39

Biogás producido (m3) 0,895 0,919 0,841

CH ⁴ concentración en el biogás (% vol/vol) 75,24 68,02 66,31

La Tabla 14 muestra la comparación entre el rendimiento del procedimiento evaluado en un tiempo de residencia (HRT) de 2 días del digestor variando la relación de dilución.

Tabla 14. Comparación de la eficiencia en términos de rendimiento del procedimiento probado en la planta piloto variando la relación de dilución.

Relación de dilución 1:50 1:25 1:10

Cantidad de residuos tratados (Kg) 6,86 13,46 31,82

m3 CH ⁴ / tonelada de residuos (HRT = 2 gg) 98 46 18

Ejemplo 5

El tratamiento anaeróbico de un volumen de 2,8 m3 del material neutralizado e hidrolizado arrojó un volumen de lodo anaeróbico de 0,025 m3 tomado del fondo del digestor anaeróbico. El digestor anaeróbico tenía un color marrón y sus características se reportan en la tabla 15.

Tabla 15. Caracterización del lodo anaeróbico a la salida del digestor.

COD 27.220 mg/l

Sólidos totales 3,49 % (p/p)

Sólidos volátiles 49,55 % (comparado con ST)

A partir del lodo anaeróbico mediante un procedimiento de percolación simple en caída libre, de pocas horas (6 - 8 horas), realizado mediante el uso de un tamiz de 0,25 mm de malla se ha obtenido una fracción sólida que puede recogerse con pala y una fracción líquida que tiene las características que se reportan en la siguiente tabla.

Tabla 16. Caracterización de la fracción sólida derivada del procedimiento de percolación del lodo anaeróbico.

Sólidos totales 65,66 % (p/p)

Agua 34,34 % (p/p)

Sólidos volátiles 48,24 % (en TS)

Tabla 17. Caracterización de la fracción líquida obtenida del procedimiento de percolación del lodo anaeróbico.

COD 7.870 mg/l

Sólidos totales 1,52 % (p/p)

Sólidos volátiles 36,08 % (respecto a los Sólidos Totales)

Se ha llevado a cabo un análisis del eluato de la fracción sólida de los lodos anaeróbicos para su aceptabilidad en vertederos no peligrosos. En la siguiente tabla se reportan los resultados de dicho análisis.

Tabla 18. Análisis del eluato de la fase sólida de los lodos anaeróbicos para su aceptabilidad en vertedero no peligroso.

Componente Valor Límite de residuos no peligrosos DM, 27 de septiembre de 2010 Arsénico <0,05 mg/l 0,2

Bario 0,03 mg/l 10

Cadmio <0,01 mg/l 0,1

Cromo total <0,01 mg/l 1

Cobre 2,20 mg/l 5

Mercurio <0,001 mg/l 0,02

Molibdeno 0,10 mg/l 1

Níquel 0,11 mg/l 1

Plomo 0,10 mg/l 1

Antimonio <0,01 mg/l 0,07

Selenio <0,01 mg/l 0,05

Zinc 0,29 mg/l 5

Cloruros 459,4 mg/l 2.500

Fluoruros 0,4 mg/l 15

TDS 265 mg/l 10.000

Sulfatos 26,1 mg/l 5.000

DOC 210 mg/l 100

El límite de concentración del parámetro DOC no se aplica para este tipo de residuos porque se cumplen las condiciones reportadas en la tabla 5 del DM del 27 de septiembre de 2010. La siguiente tabla muestra el balance de masa relacionado con la etapa de digestión anaeróbica para el tratamiento de 2,8 m3 de material neutralizado e hidrolizado.

Tabla 19. Balance de masa de la etapa de digestión anaeróbica para el tratamiento de un volumen de 2,8 m3 del lodo biológico.

Volumen de material neutralizado e hidrolizado tratado (m3) 2,8 Sólidos volátiles de entrada (Kg) 28,14 Sólidos volátiles de salida (digestato) (Kg) 5,23 Sólidos volátiles de Salida (lodos anaeróbicos) (Kg) 0,43 Sólidos volátiles destruidos (Kg) 22,48 Porcentaje de biodegradabilidad (%) 79,89 Biogás producido (m3) 10,37 Rendimiento de biogás Nm3 biogás/t SV 461,30 Tiempo de residencia (días) 2 % de CH ⁴ antes de la etapa de neutralización (%) 74,33

Claims

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento para el tratamiento y generación de energía a partir de biomasa, que comprende la etapa de: i. Proporcionar una biomasa (1);

y caracterizado por comprender las etapas de:

ii. Diluir la biomasa (1) con un diluyente hasta un contenido de sólidos volátiles comprendido entre el 0,5 % y el 1 % del volumen de dicha biomasa (1), en el que el diluyente es un líquido acuoso;

iii. Alcalinizar la biomasa (1) del inciso ii con una solución básica (3), hasta un pH comprendido entre 11,0 y 13,0, en el que dicha biomasa (1) del inciso ii y dicha solución básica (3) se encuentran en una relación de peso comprendida entre 1:20 y 1:80;

iv. Hidrolizar la biomasa alcalinizada del inciso iii, durante un tiempo comprendido entre 30 y 90 minutos, a una temperatura comprendida entre 55 °C y 80 °C, y obtener así una biomasa hidrolizada (4);

v. Neutralizar la biomasa hidrolizada (4) del inciso iv, mediante difusión de CO²a partir de un biogás producido por digestión anaeróbica, y obtener así un lodo hidrolizado y neutralizado (5);

vi. Realizar la digestión anaeróbica, a través de un primer digestor anaeróbico (6), de dicho lodo hidrolizado y neutralizado (5), y obtener así un biogás (60), un primer digestato (61), un lodo anaeróbico (62), en donde

la biomasa (1) se elige entre: lodos biológicos, residuos orgánicos, aguas de procedimiento, lodos residuales tratados o no tratados a partir de las plantas de tratamiento de aguas residuales urbanas, domésticas e industriales, lodos residuales tratados o no tratados de procedimientos de producción, y en los cuales los residuos orgánicos son residuos orgánicos resultantes de plantas de compost, que comprenden residuos derivados de la agricultura, horticultura y preparación de alimentos, lodos resultantes de plantas de tratamiento de aguas residuales civiles e industriales.

2. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el diluyente es dicho primer digestato (61).

3. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que a la etapa de digestión anaeróbica (vi) le sigue una etapa de percolación del lodo anaeróbico (62), y obtener así una fase líquida (63) percolada a partir de dicho lodo anaeróbico (62).

4. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 3, en el que el diluyente es la fase líquida (63) percolada a partir del lodo anaeróbico (62).

5. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en el que el primer digestor anaeróbico (6) se activa hacia la etapa de digestión anaeróbica (vi) a través del inóculo de una fase líquida (611) de un segundo digestato (610), cuya fase se obtiene mediante las siguientes etapas:

a) Alimentar un segundo digestor anaeróbico (100) con residuos agrícolas y zootécnicos;

b) Realizar la digestión anaeróbica del inciso a, y obtener así un segundo digestato (610);

c) Percolar dicho segundo digestato (610), y obtener así una fase líquida (611) del segundo digestato (610); d) Realizar el inóculo de dicha fase líquida (611) del segundo digestato (610) en dicho primer digestor anaeróbico (6), en el que dicha fase líquida (611) del segundo digestato (610) se encuentra en una relación volumétrica comprendida entre 2:1 y 1:2 al lodo hidrolizado y neutralizado (5).

6. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que la difusión de CO²mientras ocurre la neutralización (v) se hace mediante un reactor de columna (51) en el cual el biogás (60) se mantiene a presión y es atravesado por una corriente descendente de recirculación de la biomasa hidrolizada (4) hasta neutralizar dicha biomasa hidrolizada (4).

7. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 6, en el que dicha etapa de neutralización (v) se produce por difusión de CO²a partir del biogás (60) producido a partir de dicha etapa de digestión anaeróbica (vi).

8. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 1, en el que los lodos residuales tratados o no tratados a partir de los procedimientos de producción son lodos resultantes de la industria petrolera o derivados de procedimientos químicos orgánicos e inorgánicos.

9. Procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2. 6, en el que la biomasa (1) es lodo anaeróbico (62).