Las EDAR fuente de Materias y Energía
Gasificación de lodos de EDAR.
Una alternativa de aprovechamiento energético.
Proyecto GMVEL.
Gestión, minimización y valorización energética de lodos de EDAR
Vía gasificación.
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Introducción.
La EDAR son plantas dedicadas a
la depuración de aguas residuales. En estas plantas las aguas residuales se
someten a una serie de procesos físicos, químicos y biológicos que tienen por
objeto reducir la concentración de los contaminantes del agua y permitir su
vertido a cause naturales (rio, lagos y mar) minimizando los riesgos, tanto
para el medio ambiente, como para las poblaciones.
Como resultado de este proceso de
depuración se obtiene un lodo que se somete a un proceso de digestión anaerobia
para reducir su carga orgánica (principal contaminantes), como resultado de
este proceso se obtiene, por un lado el biogás, por el otro el digestato,
material no digerido que al igual que el biogás debe de ser gestionado.
La figura 1 muestra los efluentes del proceso de digestión de
lodos de EDAR y sus posibles vías de gestión.
La EDAR son grandes consumidora
de energía, por ello el biogás se suele usar para satisfacer en cierta medida estas
necesidades energéticas del proceso con vistas a logra un proceso
energéticamente sostenible pero aun así no es suficiente, por lo que otra vía
de obtener energía es a través de la valorización energética del digestato
(lodo)
Hasta la fecha, las vías
principales de eliminación y/o gestión de lodos han sido las siguientes:
aplicaciones en tierras de cultivo, deposición controlada en vertederos,
incineración y vertido al mar.
La aplicación en tierras de
cultivo (agricultura) es una alternativa problemática debido a la acumulación
de metales pesados y fosfatos (Unión Europea, 1991). Por otro lado, la deposición
controlada es la vía de gestión menos sostenible y debe considerarse como la
opción última a aplicar.
Las vías alternativas de
tratamiento comprenden procesos termoquímicos de índole diversa. Estos procesos
transforman la materia orgánica de los lodos en un gas combustible (pirólisis y
gasificación) y una fracción carbonosa (pirólisis). De este modo, se consigue
una reducción muy importante del volumen de residuo (se reduce a la materia
inorgánica presente) además de la posibilidad de generar combustibles
almacenables.
La figura 2. muestra los procesos térmicos susceptibles de ser aplicado como vía de gestión de este tipo de material (digestato) y los diferentes productos posibles de obtener. En el caso de la gasificación el gas de síntesis que se puede obtener, si los agentes gasificantes son aire y vapor de agua, sirve a su vez, como materia prima para la producción de Biometano sintético lo cual permitiría a las EDAR tener dos fuentes de producción de este tipo de gas y adicionalmente una fuente de calor para otros usos.
Muchas plantas de tratamiento de
aguas residuales tienen que lidiar con el flujo de desechos de lodos digeridos.
Estos fangos son deshidratados habitualmente por medio de un de una centrifuga
o de un filtro de banda.
Después de la deshidratación, los
lodos tienen un contenido característico de sólidos secos de aprox. 20 a 25%,
que es muy adecuado para el tratamiento térmico en un secadero. El núcleo de la
instalación consiste en el movimiento del lodo durante su secado. Para el
calentamiento se suele usar aceite térmico o vapor saturado de 180º a 250 ºC
fluyen continuamente como agente calefactor a través de paredes o directamente
sobre el material a secar.
Desarrollo.
Este lodo seco constituye una materia susceptible de ser valorizada desde el punto de vista energético mediante el proceso de gasificación que permite obtener simultáneamente calor y un gas combustible útil para satisfacer otras necesidades energética de la propia EDAR y de esta forma gestionar este tipo de residuo.
La tabla 1 muestra el análisis elemental de un lodo y el cálculo del aire estequiométrico para un Kg de este.
Proceso de gasificación.
La gasificación es un proceso
termoquímico en el que un sustrato carbonoso (biomasa residual) se transformado
en un gas combustible mediante una serie de reacciones que ocurren en presencia
de un agente gasificante (aire, oxígeno, vapor de agua, CO2, etc).
La composición del gas es muy
dependiente de las condiciones en las que se realiza la gasificación pero
suelen ser ricos en CO y/o H2, con contenidos menores de CO2. CH4 y otros
hidrocarburos. La materia orgánica del sustrato (biomasa residual) y el agente
gasificante son los parámetros que determinan el mayor o menor contenido en
energía (poder calorífico) del gas.
La energía del gas de
gasificación aumenta al utilizar otros agentes gasificantes, siendo su poder
calorífico (PCI) ascendente en el siguiente orden de agentes gasificantes:
oxígeno, vapor de agua e hidrógeno
- Con oxígeno (O2): Se forma CO
- Con aire: Se forma CO + N2
- Con oxígeno (O2) y agua (H2O): Se forma CO + H2
- Con aire y agua (H2O): Se forma CO + H2 + N2
(simultánea)
- Con aire y agua (H2O): Se forma CO + N2 y,
separadamente CO + H2 (sucesiva)
- A presión y con catalizadores: Se forma CH4.
El aprovechamiento energético de
este gas de gasificación puede realizarse por combustión en caldera o en
sistemas de de co-combustión indirecta, usándolo en una turbina a gas, en un
motor de combustión interna o en una pila de combustible.
Este gas, al igual que el biogás,
debe previamente ser acondicionado/limpio antes de ser enviado para su uso como
biocombustible.
En general en el proceso de
gasificación existen varias etapas más o menos diferenciadas según el tipo de
reactor. Estas etapas son:
a).- Secado. b).- Pirólisis. c).- Combustión. d).- Gasificación.
La figura 3 muestra las etapas
del proceso de gasificación y las reacciones que toman lugar.
La tecnología de gasificación se
compone de las partes siguientes.
- Acondicionamiento (pelletización), almacenamiento y transporte del material a gasificar.
- Reactor de gasificación. Tipo lecho fluidizado a presión atmosférica.
- Sala de máquinas. Caldera, compresor/soplantes, sistema de inertización
- Acondicionamiento/limpieza del gas producto y recuperación de calor
- Tratamiento de los efluentes del proceso.
- Unidad de generación de energía/cogeneración. Calderas, motores y turbinas.
- Plantas auxiliares.
Acondicionamiento del lodo seco.
El lodo procedente del proceso de
secado es un material solido con una granulometría heterogénea ya su vez poco
denso, por lo que antes de entra al proceso de gasificación requiere que se le
aumente su densidad, así como un tamaño de partículas más homogéneo y más
cuando se usan gasificadores de lecho fluidizados. Una vía de logra estas dos
condiciones es a través de un proceso peletización, que permite obtener tamaño
de partículas (pellet) más homogéneos y densificado a su vez.
La figura 4 muestra fotos del
lodo de EDAR utilizado para los ensayos y el proceso de peletización usado para
densificar el material para su mejor manejo a la hora de su alimentación al
gasificador.
Resultados.
Composición del gas de la gasificación de lodos de EDAR.
La tabla 2 muestra la composición del gas resultante de la gasificación de lodos de EDAR reportada por diferentes autores. Ensayos realizados en diferentes tipos de reactores de gasificación. Tomada de Tesis Doctoral de Juan Manuel Andrés Almeida. Madrid-2010
Simulación del proceso de gasificación con valorización energética.
Simulación del proceso de
gasificación lodos EDARs. Balances de masa y energía. Capacidad de tratamiento 600 kg/h
Modelo de gestión de los lodos de
EDARs.
La figura 6 muestra el modelo de
gestión del lodo de una EDAR con las diferentes etapas involucradas.
Deshidratación, secado, gasificación y valorización energética con las
potencias de producción y necesaria en cada etapa y los flujos involucrados en
el mismo para un caudal de tratamiento de 3.75 ton/h
Conclusión.
La tecnología de gasificación es
una tecnología válida para la gestión, minimización y valorización energética
de los lodos procedentes de EDAR. Esta tecnología al igual que la digestión
anaerobia es otra de las tecnologías factibles para el tratamiento de los
efluentes de una EDAR y constituiría una nueva vía de suministro de energía
(calor-electricidad) a la EDAR.
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