desarrollo de elan - regata.gal · nitrificación parcial y anammox en un único reactor ....
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Desarrollo de ELAN®
Éxito en la colaboración
Universidad – Empresa – Administración
José Ramón Vázquez Padín
Departamento de Innovación y Tecnología
INTRODUCCIÓN
Descripción de la empresa
Áreas de Actividad
Presencia Internacional y Cifras de Negocio
Departamento de Innovación y Tecnología
INTRODUCCIÓN
Eliminación Autótrofa de Nitrógeno
NO3-
N org Animal
protein
Faecal
matter
Urine
Urea
N org
Vegetal
protein
NO2- N2
NH4+
Ciclo del nitrógeno
Comparación de procesos biológicos de eliminación de N
Procesos
O2
consumo
(kg O2 (kg N)-1)
DQO
consumo
(kg DQO (kg N)-1)
CO2
emisión
(kg CO2 (kg N)-1)
Producción
lodo
(kg VSS (kg N)-1)
Nitrificación-Desnitrificación 4.57 2.86 7.08 1.0 - 1.2
ELAN* 1.95 0 3.49 < 0.1
NH4+ + 0.85 O2 + 1.11 HCO3
- 0.44 N2 + 0.11 NO3- + 2.56 H2O + 1.11 CO2
NH4+ + 0.625 CH3COOH + 2 O2 + HCO3
- 0.5 N2 + 3.75 H2O + 2.25 CO2
*Proceso ELAN (ELiminación Autótrofa de Nitrógeno) corresponde a la combinación
Nitrificación parcial y Anammox en un único reactor
Decantación
Primaria
Entrada
Efluente
Espesadores
Fango Primario
Digestor
Anaerobio
Biogás
Tambores Espesado
Fango Secundario
Anóxico Aerobio
Sistema de lodos activos
Centrífugas de
Deshidratación
Lodo
Deshidratado
Decantación
Secundaria
Línea de agua
Línea de lodos
Pozo
Gruesos Bombeo
Pozo de
Fangos mixtos
Arena
Desarenador
Desengrasador Desbaste
Finos
Finos Gruesos
Caudal agua: 1%
Carga N: 15-20%
Carga P: 40-50%
N: 1000 mg N L-1
Tª: 30 - 35 ºC
P: 80 mg P L-1
N y/o P se eliminan a través
de procesos biológicos
EDAR Convencional
2000 – 2015
ELAN®: “del laboratorio al mercado”
1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
1977 – Broda predice la existencia de las bacterias anammox
1995 – Mulder confirma la existencia de anammox
1914 – Ardern y Locket publican el primer trabajo sobre lodos activos
1923 – Primera planta de lodos activos en Inglaterra
1961-64 – Se definen las características de la nitrificación y desnitrificación
2001 – 1º planta escala industrial con anammox en Rotterdam
2014 – 100 plantas anammox en el mundo
2000 – Arranca la I+D sobre anammox en la USC
2004 – Primer lodo anammox de la USC
2006 – Nitrificación parcial y anammox en una etapa
2005 – Nitrificación parcial y anammox en dos etapas
Reactor laboratorio (1 L)
Cronología de la I+D+i sobre eliminación autótrofa de N
Dapena-Mora et al., 2004, Journal of Biotechnology 110: 159-170. Dapena-Mora et al., 2004, Journal of Chemical Technology and Biotechnology 79: 1421-1428. Trigo et al., 2006, Journal of Biotechnology,126: 475-487. Arrojo et al., 2008, Chemosphere, 72: 1687- 1693. Fernández et al., 2008, Biochemical Engineering Journal 42: 308-313. Vázquez-Padin et al., 2009, Bioresource Technology 100: 2988-2994. Vázquez-Padin et al., 2011, Water Science and Technology 63.6: 1282-2994. Figueroa et al., 2012, Biochemical Engineering Journal 65: 23 -29.
Tecnologías:
• 2-etapas • 1-etapa
• MBR • SBR • Airlift
• Biopelícula • Granular
2000 - Hoy : Investigación sobre anammox en la USC
1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010
1977 – Broda predice la existencia de las bacterias anammox
1995 – Mulder confirma la existencia de anammox
1914 – Ardern y Locket publican el primer trabajo sobre lodos activos
1923 – Primera planta de lodos activos en Inglaterra
1961-64 – Se definen las características de la nitrificación y desnitrificación
2001 – 1º planta escala industrial con anammox en Rotterdam
2014 – 100 plantas anammox en el mundo
2000 – Arranca la I+D sobre anammox en la USC
2004 – Primer lodo anammox de la USC
2010– Primera planta piloto ELAN
2015 – Primeras plantas ELAN a escala industrial
2006 – Nitrificación parcial y anammox en una etapa
2005 – Nitrificación parcial y anammox en dos etapas
Planta piloto (200 L)
Reactor laboratorio (1 L)
Cronología de la I+D+i sobre eliminación autótrofa de N
Objetivo: Eliminación sostenible de nutrientes para reúso de efluentes y residuos - nuevo proceso de eliminación de nitrógeno con menos energía y menos substrato carbono.
Duración: 2009-2012 Trainasa y 2011-2013 aqualia.
Apoyo: Xunta de Galicia para Trainasa 2009 (Incite).
CDTI (Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial) para aqualia 2011.
Investigador asociado con Ayuda Torres Quevedo (MICINN).
Socios: aqualia gestión integral del agua y TRAINASA.
Colaboradores : Univ. de Santiago de Compostela y Univ. de Vigo.
Presupuesto: Trainasa: 142.600 €. aqualia: 580.519 €.
Ayuda: Trainasa: 72.300 €. aqualia: Préstamo 343.841 € y ayuda. 51.576 €.
Ayuda Torres Quevedo 44.460 €.
Ubicación: Vigo (1ª fase), Guillarei y Friscos (2ª fase) (Galicia).
Eliminación Autótrofa de Nitrógeno (Línea de fangos)
2009 – 2015: FCC Aqualia / USC – Proceso ELAN® – Escalado
• Escalado del proceso, se ha puesto en marcha de un reactor de 200 L para corroborar la viabilidad del proceso y más tarde de 1200 L para la generación de mayores cantidades de biomasa.
1,5 L
200 L 1200 L
Ubicación de las plantas piloto
EDAR Vigo
EDAR Guillarei (Tui)
EDAR Guillarei:
2012 – 2014
EDAR Vigo
2009 – 2012
Proceso ELAN® – Resultados a escala piloto
0
300
600
900
1200
0 50 100 150 200 250 300
Tiempo (d)
mg
N/(
L d
)
VCN AOB NOB ANR
VCNe = Velocidad de carga nitrogenada a la entrada
AOR = Tasa de oxidación de amonio a nitrito
ANR = Tasa de eliminación de nitrógeno
NOR = Tasa de oxidación de nitrito a nitrato
0
2
4
6
8
10
0 50 100 150 200 250 300
Tiempo (d)
g V
SS
/L
25-11-2011 (Día 284)
HRT = 13 h
NH4+ entrada = 560 mg N/L
NH4+ salida = 36 mg N/L
NO2- salida = 2 mg N/L
NO3- salida = 29 mg N/L
Día 23
Día 242
Biomasa ELAN®
FCC Aqualia – USC: Obtención de patente europea ELAN®
Registro marca
ELAN®
23/10/2012
ELAN®
2 interfases: G – L y L – S 4 especies bacterianas 18 procesos
AERÓBICO
NH4+
N2
ANÓXICO NO2
- O2
NO3-
BOA
BON
AMX
HET
DQObiodegradable
AQUASIM (Reichert, 1998)
Biomasa g DTO/g SSV
C5.06H9.33O1.82N XH, XA, XN 1.62
CH2O0.5N0.15 XAMX 1.51
C4.74H6.53O1.63N0.5 XI 1.72
NH4+ + 1.40 O2 + 1.99 HCO3
- →
0.01 C5.06H9.33O1.86N + 0.99 NO2- + 2.93 H2O + 1.92 CO2
A
ALKALK
ALK
NH4NH4
NH4
O2
A
O2
O2
maxA, XCK
C
CK
C
CK
Cμ
Crecimiento Aerobio BOA
Crecimiento Anóxico HET H
SSs
S
NO3
H
NO3
NO3
O2
H
O2
H
O2gmaxH, X
CK
C
CK
C
CK
Kημ
CH3COO- + 0.69 NO3- + 0.20 NH4
+ → 0.20 C5.06H9.33O1.82N + 0.99 HCO3
- + 0.50 OH- + 0.34 N2 + 0.22 H2O
Crecimiento Anóxico AMX Amx
NO2
Amx
NO2
NO2
NH4
Amx
NH4
NH4
O2
Amx
O2
Amx
O2maxAmx, X
CK
C
CK
C
CK
Kμ
NH4+ + 1.32 NO2
- + 0.066 CO2 → 0.066 CH2O0.5N0.15 + 0.26 NO3
- + 1.02 N2 + 0.06 OH- + 1.90 H2O
Resp. End. Aerobia BON
C5.06H9.33O1.82N + 4.58 O2 →
0.22 C4.74H6.53O1.63N0.5 + 0.89 NH4+ + 0.89 HCO3
- + 3.12 CO2 + 1.72 H2O
N
O2
N
O2
O2
N XCK
Cb
Ejemplo de cinéticas y estequiometrías
Modelado matemático del sistema ELAN®
CI inf CI efl NH4+ inf NH4
+efl NO2 efl NO3 efl SSVr V gránulos Diámetro Nº gránulos superficie
mg CI/L mg CI/L mg N/L mg N/L mg N/L mg N/L g/L L mm m2
Experimental 306 64 355 74 13 57 7 0.26 3 18568 0.57
Modelado 330 48 350 58 14 49 7 0.26 3 18568 0.57
0
2
4
6
8
10
0 0.5 1 1.5 2
Co
nce
ntr
ació
n (
mg
/L)
Radio del gránulo (mm)
O2
N-NO2
Bacteria BOA Anammox
Modelado matemático del sistema ELAN®
2014 – 2015
ELAN®: Desarrollo INDUSTRIAL
Decantación
Primaria
Entrada
Efluente
Espesadores
Fango Primario
Digestor
Anaerobio
Biogás
Tambores Espesado
Fango Secundario
Anóxico Aerobio
Sistema de lodos activos
Centrífugas de
Deshidratación
Lodo
Deshidratado
Decantación
Secundaria
Línea de agua
Línea de lodos
Pozo
Gruesos Bombeo
Pozo de
Fangos mixtos
Arena
Desarenador
Desengrasador Desbaste
Finos
Depósito de
Fangos Secundarios
Finos Gruesos
ELAN®
Cristalizador
NH4MgPO4
EDAR Guillarei Mejorada
Influent
Effluent
Sludge
digesterThickening tank
Anoxic Aerobic
Activated sludge reactor
Dehydrated
sludge
Secondary
SettlerWater line
Sludge line
Dehydration
system
Sludge ReturnPrimary
Settler
AG
UA
BR
UTA
Caudal 33701 m3/d
Concent. Carga
g/m3 kg/d
DQO 234 7868
DBO5 113 3808
NT 24 821
NH4+-N 17 567
AG
UA
TR
ATA
DA
Sin ELAN®
Concent. Carga
g/m3 kg/d
DQO 27 908
DBO5 4 146
NT 15 517
NH4+-N 0.7 24
NO3--N 12 405
SOB
REN
AD
AN
TE D
A Caudal 70 m3/d
Concent. Carga
g/m3 kg/d
NT 1115 78
NH4+-N 1015 71
AG
UA
TR
ATA
DA
Con ELAN®
Concent. Carga
g/m3 kg/d
DQO 27 900
DBO5 4 135
NT 13 438
NH4+-N 0.7 24
NO3--N 10 337
FAN
GO
D
ESH
IDR
AT.
kg/d
SV 873
NT 108
CO
DIG
ESTI
ON
Carga
kg/d
NT 30
Implementación del proceso ELAN® en la EDAR Guillarei
Comparación Reactor Biológico/Reactor ELAN®
Unidades R. Biológico R. ELAN (línea agua) (línea lodos)
Volumen (m3) 9562 115
N desnitrificado (kg N/d) 226 67
N oxidado (kg N/d) 630 (a NO3-) 43 (a NO2
-)
Consumo energético kWh/kg N 2.5 1.1
Productividad lodos kg VSS/kg N 0.35 0.03
Tasa eliminación N kg N/(m3 d) 0.02 0.6
Tasa oxidación N kg N/(m3 d) 0.06 0.37
En el proceso ELAN® no se requiere de DQO y por lo tanto ésta se podría aprovechar para generar más metano en el digestor de lodos o bien para desnitrificar más en el reactor biológico.
En Galicia, la cantidad de materia orgánica disponible para desnitrificar suele ser limitada y por lo tanto el proceso ELAN® es una alternativa viable para conseguir más desnitrificación.
Planos de la ejecución
Construcción ELAN® Escala real
Construcción ELAN® Escala real
ELAN®
Difusión del conocimiento a la sociedad
Difusión de resultados obtenidos: Revistas científicas
Difusión de resultados obtenidos: congresos/jornadas/ferias
• SMAGUA 2012 de Zaragoza.
• Miguel López de la Universidad de Vigo elaboró su proyecto fin de carrera (2012).
• Póster en el congreso internacional “ECO STP” organizado por la IWA en Santiago de Compostela (2012)
• Congreso “Nutrient Removal and Recovery” Harbin (China) (2012)
• X Mesa Española de Tratamiento de Aguas (META, Almería) 2012.
• Jornadas Técnicas sobre Energías Renovables (Vigo, 2013)
• Jornadas de clausura del proyecto NOVEDAR CONSOLIDER (Madrid, 2013).
• SMART CITIES celebrado en Barcelona en 2013.
• Congreso mundial AD13 en Santiago de Compostela (2013)
Congreso internacional AD13 – Santiago de Compostela
Congreso internacional AD13 – Santiago de Compostela
Difusión de resultados obtenidos: multimedia
Premio Expansión
ELAN®
El futuro: la aplicación a la línea de aguas
Innpronta ITACA
Duración: octubre 2011- diciembre 2014.
Ayuda: Subvención TOTAL: 4.165.830 €. Subvención aqualia: 621.537 €.
Préstamo TOTAL: 8.988.305 €. Préstamo aqualia: 1.391.059 €.
Ubicación: Alcalá de Henares (Madrid), Guillarei (Pontevedra), Chiclana, etc.
Objetivo: Investigación de tecnologías de tratamiento, reutilización y control del agua para su uso sostenible: desarrollo anammox en corriente de agua, MFC para depuración.
Apoyo: programa INNPRONTA del MINECO (CDTI).
Socios: Líder: ADASA.
Otros: aqualia, Cespa, Cyclus, Deisa, Dow Chemical, DAM, Desarrollo ecológicos e industriales, JAP, Técnicas Reunidas.
Colaboradores: Universidad de Alcalá (UAH), Universidad de de Santiago de Compostela (USC).
Presupuesto: TOTAL: 15.475.454 €. aqualia: 2.367.760 €.
DATOS:.
Decantación Primaria
Entrada
Efluente
Espesadores Fango Primario
Digestor Anaerobio
Biogás
Tambores Espesado Fango Secundario
Anóxico Aerobio
Sistema de lodos activos
Centrífugas de Deshidratación
Lodo Deshidratado
Decantación Secundaria
Línea de agua
Línea de lodos
Pozo Gruesos Bombeo
Pozo de Fangos mixtos
Arena
Desarenador Desengrasador
Desbaste Finos
Finos Gruesos
EDAR del futuro, proceso ELAN® en línea de agua
Etapa A:
Recuperación
DQO
Etapa B:
Proceso
ELAN
EDAR del futuro, proceso ELAN® en línea de agua
Reto investigador a nivel mundial
6,85
6,9
6,95
7
7,05
7,1
7,15
7,2
-400 -200 0 200 400 600 800 1000
pH
Depth
Granulo 4 pH OD 0.7 OD 2.7
OD 1.8 OD 2.0
OD 4.2 OD aprox 5,3
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
5
-400 -200 0 200 400 600
DO
Co
nce
ntr
atio
n (
mg/
L)
Depth
Granulo 1, DOSeries2
Series3
Series4
Series6
ELAN®
La revolución en la EDAR industrial
Influente
Digestor Anaerobio
Tanque homogeneización
SBR convencional
Biogas
Efluente Físico-químico
(DAF)
Lodo Lodo
N2
EDAR industrial del futuro con
ELAN®
ELAN
Efluente
Lodo
Influente Biogas
Lodo
N2
EDAR industrial con ELAN®
Digestor Anaerobio
Físico-químico (DAF)
El proceso ELAN® no requiere materia orgánica para la eliminación de nitrógeno y se consiguen tratar cargas superiores a 1 kg N/(m3 d) La materia orgánica puede tratarse en su totalidad en el digestor anaerobio para maximizar la valorización energética Eliminación de N con menor producción de fangos y menor consumo energético = Mayor sostenibilidad del tratamiento
Difusión de resultados obtenidos
Essen (Alemania) Abu Dhabi (EAU)
Tesis Nicolás (USC)
Lisboa (Portugal)
Verona (Italia)
ELAN®
Conclusiones y Agradecimientos
El éxito obtenido a lo largo de este desarrollo demuestra que la colaboración Empresa-Universidad-Administración con la ayuda de herramientas financieras de I+D permite industrializar procesos innovadores añadiendo valor. Buen ejemplo de este cambio en la concepción del proceso de depuración de aguas residuales hacia procesos más eficientes y sostenibles lo constituye el proceso ELAN® desarrollado por FCC Aqualia en colaboración y con el conocimiento previo de la Universidad de Santiago de Compostela. A lo largo de 2015, se está poniendo en marcha el proceso ELAN® en una EDAR industrial del sector agroalimentario gallego y en la EDAR municipal de Guillarei propiedad del Consorcio de Aguas del Louro y con la colaboración de Augas de Galicia.
Conclusiones
¡¡¡GRACIAS!!!
Desarrollo de ELAN®
Éxito en la colaboración
Universidad – Empresa – Administración
José Ramón Vázquez Padín
Departamento de Innovación y Tecnología