Biodigestión y codigestión (de lodos) en PTAR de oct... · 2018-10-17 · 1. Introducción - Ventajas del uso de tecnologías anaerobias 2. Procesos de generación de biogás en

Biodigestión y codigestión (de lodos) en PTAR: oportunidades ambientales y económicas

Ing. Sebastian RosenfeldtRotária do BrasilGerente de Proyectos

Contenido

1. Introducción - Ventajas del uso de tecnologíasanaerobias

2. Procesos de generación de biogás en PTARs - UASB y Digestor de lodo

3. Composición de biogás generado en PTARs

4. Formas de aprovechamiento energético de biogás en PTAR

5. Uso del biogás en Alemania y Brasil

6. Sistema clásico de aprovechamiento

7. Viabilidad económica – Un caso de Brasil

8. Oportunidades y desafíos – Un caso de Perú

9. Consideraciones Finales

• Reducción de la demanda de energía para tratamiento de aguas residuales y lodos

– Reducción de emisiones de gases de efecto invernadero referente a la generación de electricidad

– Potencial de aprovechamiento energético de biogás

• Reducción de costos de operación

• Intensificación de la atención a la operación del sistema como un todo, mejorando así del tratamiento de aguas residuales,

Introducción

Ventajas del uso de tecnologias anaerobias

Protección de los cuerpos hídricos

Ampliación de la cobertura de tratamiento de AR

Protección del clima

Aumento de eficiencia energética

Captación de biogás

Aprovechamiento de biogás

Aumento de “eficiencia financiera”

Mejora del tratamiento de aguas residuales

Procesos de generación de biogás en PTARs

• Todas las aguas residuales pasan por el reactor

• Sin equipos electromecanicos

• Uso común para tratamiento de aguas residuales domésticas en Brasil e India

– Para efluentes industriales en todo el mundo

Pre-Tratamiento

Reactor UASB

Tanque de Aireación

Decantador Secundario

Recirculación de lodo

Lodo mixto excedente

continúa su deshidratación y disposición final

Efluente descarga a cuerpo receptor

Lodo aerobio excedente

Quemador

Reactor UASB

Lodo excedente

Procesos de generación de biogás en PTARs

• Solo la fase sólida pasa por el reactor anaerobio

• Uso común en PTAR de países más fríos

• Posibilidad de co-digestión

Pre-Tratamiento

Decantador Primario

Tanque de Aireación

Decantador Secundario

Recirculación de lodo

Lodo continúa deshidratación y disposición final

Efluente descarga a cuerpo receptor

Lodo excedente

Quemador

Digestor de lodo

Composición de biogás generado en PTARs

Componente UnidadBiogás de tratamiento anaerobio de

aguas residuales

Biogás de tratamiento anaerobio de

lodo

Sulfuro de hidrógeno (H2S) ppm 1,000 a 5,000 500 – 1,500

Humidad relativa % 90 – 100 90 – 100

Contenido de oxígeno (O2) % em vol. 0 – 2 0 – 1

Metano (CH4) % em vol. 60 – 85 60 – 70

Dióxido de carbono (CO2) % em vol. 5– 15 20 – 40

Nitrógeno (N2) % em vol. 2– 25* 0 – 2

Poder calorífico inferior (PCI) kWh/Nm3 6.0 – 8.5 6.0 – 7.0

Índice de Wobbe kWh/Nm3 7.0 – 13.4 7.0 – 9.1

Formas de aprovechamientode biogás

Biogás

Energía Química

Motores a gas (Otto e Diesel) estacionarios con generador

Energía TérmicaEnergía EléctricaEnergía

Mecánica

Máquinas rotativas a gas

Inyección a la red de gas natural

Combustible para vehículos

Aprovechamiento por terceros

Energía Eléctrica +

Energía Térmica

Caldera a gas

Secador de lodo

Microturbinas a gas

Células de combustible

Motores a gas (Otto e Diesel) estacionarios con generador

Caldera a gas

Secador de lodo

• Aprovechamiento de biogás en PTARs es estado de arte en el exterior

– Generación de 1,291 GWhelétrico en 2013 en Alemania

– 90 % de energía de biogás es utilizada para generación de electricidad e 10 % para energía térmica

– Hay PTAR con población de 15,000 contribuyentes y sistema de aprovechamiento de biogás

– No permite conclusiones referente a viabilidad económica en México

Uso del biogás en Alemania

Autosuficiencia de 43.9 %

• Tratamiento anaerobio de lodo de esgoto muy difundido en Brasil

– Potencial reducción de emisiones de biogásdifusas gana atención.

– Potencial económico del biogás como fuente de energía

– Potencial de generación de 118.2 GWh por año en Brasil

– Solo hay pocos proyectos (demonstrativos)

Uso del biogás en Brasil

(CHERNICHARO et al., 2017)

PTAR Arrudas PTAR Arrudas PTAR Ribeirão Preto

Sistema de aprovechamiento de biogás

Tratamiento Anaerobio

Gasómetro con biodesulfurización

Enfriador de biogásFiltro de carbono

activado

Quemador

Unidad motor-generador

Precisa ser analizada para cada nuevo proyecto!

Viabilidad económica del uso de biogás

• Número de contribuyentes

• Contribución per cápita

• Eficiencia de remoción de la carga orgánica

Carga orgánica afluente al sistema

• Producción específica de biogás

• Concentración de CH4

• En reactores UASB la pérdida de biogás

Producción de biogás en el proceso

• Eficiencia eléctrica y/o térmica del equipo

• Disponibilidad técnica

• Funcionamiento continuo o en horario de tarifa punta

Transformación energética

• Vida útil de los equipos

• Tasa de interés real

• Tasa cambial

Cálculo da viabilidad

• Investigación de cantidad y calidad de biogás producido en reactor UASB

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

Vo

lum

e d

e b

iogá

s d

iári

o (

Nm

³)

Caudal médio = 563 m3/d

36 % de la cantidad de metano esperado

Escape de biogás por el compartimento de decantación del reactor UASB

Tiempo de operacióndel motor-generador reducido

Caso UASB en BrasilResultados operacionales

• Levantamiento de costos reales de la adquisición, importación e instalación del sistema de aprovechamiento de biogás

Caso UASB en BrasilResultados operacionales

USD 0.159 / kWh

• Ingreso (beneficio) calculado con base en de la producción de energía eléctrica -> Costo evitado

– Considerando la tarifa incidente en la unidad

• Con posibles descuentos

• Considerando los impuestos

• Considerando producción continua de energía eléctrica

h 8,760

Th 780Th 7,980T

pfp 0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0 2.000 4.000 6.000 8.000Ta

rifa

me

dia

po

nd

era

da

(USD

/kW

h)

Tiempo de Funcionamiento del motor-generador en h

Caso UASB en BrasilResultados operacionales

Taxa cambial mínima durante o projeto

Tasa cambial media de las adquisiciones

Tasa cambial máxima durante el proyecto

Tasa cambial de equilibrio

• Generación de electricidad correspondiente a 56 % hasta 78 % de la demanda de la PTAR

• Potencial de aumento con mejorías operacionales y constructivas

• TIR de 19.75 % en el escenario base

Caso UASB en BrasilViabilidad económica

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

4,50

5,00

5,50

2012 2013 2014 2015 2016 2017

Tasa d

e c

am

bio

-R

$ /

EU

RO

Tasa cambial mínima durante el proyecto

Análisis de sensibilidad

• Desarrollo de instrumento para análisis simples y comparativa de viabilidad económica

– Para varios procesos de tratamiento de aguas residuales

– Para uso do biogás generado para fin de producción de energía eléctrica con planta termoeléctrica

• Aplicable para proyectos en Brasil, México, Nicaragua e Perú

• Direccionado para:

– Prestadores de servicio de saneamiento

– Instituciones que elaboran e promueven as políticas de saneamiento

– Otras instituciones involucrados directamente con o tema biogás

– Proyectistas de PTARs.

Instrumento de Cálculo de viabilidad económica para proyectos de biogás en PTARs

• Generalidades

– Verificación de la hermeticidad de las tuberías y equipos

– Verificación de la seguridad

• Alimentación

– Distribuido durante el día

• Monitoreo

– Caudales de lodo y biogás

– Temperaturas

– Alcalinidad total, ácidos grasos volátiles e el pH del lodo

Oportunidades y desafíos para el uso de biogás –Control operacional

• Diseño del sistema de aprovechamiento con base en cantidad y calidad de biogás

– Evaluación de plausibilidad considerando substrato

– Considerando variaciones durante el año

• Evaluar oferta y demanda

– Considerando variaciones durante el día

Oportunidades y desafíos para el uso de biogás

Energía total disponible en el biogás

3

PMMCH4,PMMd,DL,biogástotal, kWh/m 9.968CQE

Demanda de energia elétrica

Demanda de energia térmica

Oportunidades y desafíos para el uso de biogás - Evaluación de plausibilidad

• PTAR San Jerónimo (Cusco/Perú) presentaba producción de biogás debajo de lo esperado

• Análisis demostraba deficiencia de mezcla y perfil térmico desfavorable en el Digestor Anaerobio

• EPS SEDACUSCO mejoró distribución de lodos calentados

dhab

L 14.1

hab 240,4788

/dNm 3,465

dhabg 60CA

Q

POP

Qe

3

-1-1

DBOaDBO,

PMAd,DL,PMAd,DL,

POBDL,

Modo de operación del tratamiento

biológico

Carga orgánica específica en la entrada de

lodos activados [gDBO5/(hab·d)]

Tasa de producción de biogás especifica

esperada [l/(hab·d)]

Edad del lodo (TA) tSS = 8 d 35 16.5 – 25

Edad del lodo (TA) tSS = 15 d 35 14.5 – 22

Edad del lodo (TA) tSS = 15 d 48 10.5 – 15.9

Edad del lodo (TA) tSS = 15 d 60 6.2 – 9.4

Sistema de lodos activados en aireación

extendida con tSS = 25 d 60 3.5 – 5.3

Guía técnico DWA-M 363 - Origen, Tratamiento e Utilización de Biogás - (2010)

)/(kgNm 89.0 /dkg 3,875

/dNm 3,465

CACA

Q

CA

Qe removSV,

3

removSV,

3

salida SV,ingreso SV,

PMAd,DL,

digeridosSV

PMAd,DL,

digeridosSV DL,

Valores típicos na entre 0.80 y 1.10 Nm3/kgSV conforme Andreoli et al. (2001)

Oportunidades y desafíos para el uso de biogás -Evaluación de plausibilidad

0

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

ene feb mar abr may jun jul ago sept oct nov dic

Ener

gía

en

kW

h/d

Demanda de energía eléctrica Demanda de energía térmica Energía Disponible

Oportunidades y desafíos para el uso de biogás -Evaluar oferta y demanda

• Grado de autosuficiencia eléctrica entre 79 y 98 %

• Grado de autosuficiencia térmica entre 95 y 127 %

• Co-digestión

– Volumen de diseño de digestores de lodo es limitado hidráulicamente

– Carga orgánica volumétrica no llega al límite -> potencial de adicionar substratos con mayor “densidad energética”, p.e. residuos de mercado, agricultura, residuos de caja de grasa

– Ventajas:

• Optimizar la composición del substrato y así las condiciones técnicas del proceso (relación C:N > 15, ajuste pH, etc.)

• Aumento de producción de biogás en 40 a 200 %

– Cuidados:

• Evitar inhibiciones por substratos incompatibles -> realizar análisis antes

• Equipos importados

– Posible dificultad de mantenimiento

– Complexidad de importación

– Dificultad en caso de necesidad de sustitución

Oportunidades y desafíos para el uso de biogás

• Uso del biogás para generación de energía eléctrica puede ser viable

• Incentivo para la captación de un gas contaminante

• Aumento de la oferta de energía producida

• Alivio de la red de distribución de energía eléctrica

• Ahorro de los costos operacionales con energía eléctrica, liberando recursos para inversiones que permiten el aumento de la cobertura de atención de servicios de colecta y tratamiento de aguas residuales

• Mejora del tratamiento de aguas residuales, por intensificación da atención a la operación del sistema como un todo

• Diseño del sistema de aprovechamiento con base en el levantamiento de cantidad y calidad !!!

Consideraciones Finales

GraciasEng° Sebastian Rosenfeldt

(48) 3234 3164 [email protected]