Valorización energética de los residuos y subproductos de la pesca

Juan A. Álvarez Grupo de Ingeniería Ambiental y Bioprocesos Departamento de Ingeniería Química E-mail: [email protected] www.usc.es/biogrup/

“JORNADA JORNADA SOBRE ASPECTOS MEDIOAMBIENTALES EN LA COMERCIALIZACIÓN Y LA TRANSFORMACIÓN DE LOS PRODUCTOS DE LA PESCA” Sevilla, 13 de Noviembre 2008

ÍNDICE 1. Problema Medioambiental de la industria pesquera

2. Tipos de residuos y subproductos originados

3. Alternativas de tratamiento y valorización de los efluentes líquidos q

4. Co-digestión anaerobia de los subproductos pesqueros. Proyecto en curso: PROBIOGAS (PS-120000-2007-6)

5. Conclusiones

Problemática medioambiental de la industrial pesquera

Industrias pesqueras

Zonas litorales

2 efectos contrapuestos

- Impulsan economía y generan trabajo - Sus residuos contaminan el litoral

Pilares de la industria pesquera Conserveras Harineras

Subproducto o residuo sólido: 4050% de la materia prima

Generación de efluentes residuales líquidos y sólidos

5,4 m3/tn de harina

Sector Gallego 65% de la producción nacional (49% atún) 45% de las industrias pesqueras

67% de los empleos nacionales del sector pesquero

Sobre 5000 instalaciones de acuicultura (parques de cultivo, bateas, granjas y criaderos)

Tipos de residuos generados en la industria pesquera Residuos líquidos

Alta DQO (proteínas y grasas) Alta salinidad

Efluentes residuales de los cocedores en conserveras Principales

Efluentes residuales de las centrífugas en harineras

Residuos sólidos Procesado en conser conserveras: eras cabe cabezas, as colas, espinas

Subproductos: S bprod ctos materia prima en harineras

¿? Piezas no válidas en acuicultura: mortandad, talla, mal estado

Ot Otros residuos id sólidos ólid generados d en llonjas, j b barcos, mercados… d November 22, 2008

Tratamiento en Co-digestión anaerobia

Características de los residuos líquidos de la industria pesquera

Características de los residuos líquidos de la industria pesquera

Características de las distintas aguas residuales generadas en el proceso de conservas de sardina, mejillón y atún (caudal en m3/semana, temperatura en ºC, concentraciones en g/L)

Diagrama de flujo de fabricación de harina de pescado a partir de atún y sardina

Características de los residuos líquidos de una harinera

Alternativas de tratamiento y valorización de los efluentes líquidos

Tratamiento Físico-Químico mediante centrifugación o coagulación floculación para la recuperación de sólidos coagulación-floculación

Pretratamiento biológico anaerobio con objeto de solubilizar la materia en suspensión y generar ácidos grasos volátiles

Tratamiento biológico anaerobio de los efluentes previamente clarificados por centrifugación

Eliminación biológica de nitrógeno por un proceso de nitrificación-desnitrificación

AL LTERNA ATIVA II

ALT TERNAT TIVA I

Propuestas de alternativas de tratamiento de residuos líquidos Biogás

Purga lodos

Amoníaco

Agua residual

C-F

C

A

D

DN

N Agua residual tratada

Sólidos ((reutilizados))

Amoníaco

Biogás

D

A

Purga lodos

Agua residual

A1

DN

N Agua residual tratada

C-F: Coagulación -Floculación

A2: Reactor Anaerobio Metanogénico

C C C: Centrifugación t if ió

D D D: Desorbedor b d d de amoníaco í

A: Reactor anaerobio

N: Reactor de Nitrificación

A1: reactor Anaerobio de Hidrólisis-Acidogénesis

DN: Reactor de Desnitrificación

Tratamiento por Coagulación-floculación

Resultados obtenidos durante los ensayos de coagulación-floculación: a)con diferentes coagulantes y floculantes añadidos en sus dosis óptimas sin alteración de pH; b) utilizando el pH más favorable

Tratamiento por centrifugación

La caracterización de los sólidos obtenidos mostró un contenido proteico similar a las harinas de pescado: Proteína: 35,2% Grasas: 19,9%

Digestión Anaerobia Finalidad Aplicaciones:

Digestión de la Materia orgánica en ausencia de O2 Producción de biogás (CH4, CO2,

H2S, N2 ....)

Estabilización de lodos de EDAR Tratamiento de AR de media y alta carga Digestión Di tió de d residuos id orgánicos á i industriales i d ti l (agrícolas, ganaderos, urbanos, etc.) Co-Digestión de diversos residuos orgánicos Aplicación recientemente en expansión a escala industrial

Biodegradabilidad Anaerobia

Biodegradabilidad

Metanización

Acidificación

Operación Filtro anaerobio como reactor metanogénico (Alternativa II)

(d) 3d) ((kgDQO/m g Q )

(%)

Digestor de contacto DAC (Digestor de Acción Central)

Operación digestor de contacto DAC

Operación digestor de contacto DAC

Operación digestor de contacto DAC

Operación digestor de contacto DAC

Operación digestor de contacto DAC

CO-DIGESTIÓN ANAEROBIA (Co-DA)

Definición

Digestión anaerobia simultanea de una mezcla homogénea de 2 o más residuos

Principales características - En la mezcla de residuos, hay un substrato base, normalmente: purín o lodo EDAR (al menos en un 50%) y el resto de substratos en menores porcentajes - Se S debe d b prestar t atención t ió all balance b l DQO:N:P= DQO N P 450:7:1 450 7 1 en la l digestión, di tió de d manera que alcanzando este balance con la mezcla de substratos se potencia la producción de metano al mejorar la digestión anaerobia - Se puede realizar co-digestión en los digestores anaerobios existentes, mejorando así su rendimiento. - Al co-digerir di i residuos id sólidos ólid normalmente l t se requieren i equipos i de d pretratamiento para favorecer su posterior digestión - En muchos casos la co co-digestión digestión resulta en un aumento de energía y en un control de vertido de residuos orgánicos November 22, 2008

CO-DIGESTIÓN ANAEROBIA

Objetivo

Potenciar la producción de metano en la digestión anaerobia de residuos sólidos orgánicos g

Uso de la co-digestión - Aumenta el rendimiento de las plantas de digestión anaerobia de residuos orgánicos: mayor producción de biogás

- Plantas de co-digestión g en funcionamiento

- Alemania: más de 1600 - Austria: 115 - Suiza: S i 69 - Dinamarca, Suecia, Italia, Francia, España e Inglaterra: sin contabilizar

- En Dinamarca y en menos extensión en Suecia, numerosas cooperativas granjeros j operan con éxito digestores g anaerobios de gran g escala, de g usando purines con otros co-substratos de industrias vecinas November 22, 2008

Ventajas de la CO-DIGESTIÓN ANAEROBIA - Se mejora j el balance de nutrientes: co-digestión g anaerobia permite p mejorar j el balance de nutrientes DQO:N:P= 450:7:1, obteniéndose de esta manera un mejor rendimiento de la digestión y una mayor producción de metano - Permite establecer sinergismos en el medio de digestión: al mezclar los co-substratos se suministran los nutrientes ausentes y se reducen (al diluirse) los compuestos inhibitorios - Optimización de las características físicas de los residuos: Residuos poco fluidos, fluidos agregados, particulados, flotantes pueden ser usados como cosubstratos al diluirse con lodo EDAR o con purín - Permite el uso de los volúmenes de los digestores anaerobios de las EDAR: se estima que los volúmenes de los digestores están sobredimensionados, existiendo una capacidad libre de digestión de 15-30% - Minimización de costes de transporte al co-digerir en los digestores existentes, dada la amplia distribución de las EDAR - Mejora la economía de la planta: el aumento de la producción de biogás y el uso del digestato como fertilizante permite amortizar a corto plazo la inversión realizada - Mejor alternativa de tratamiento: la estricta legislación medioambiental impulsa aun más la co-digestión de residuos orgánicos, al prohibirse su vertido en vertederos y dados los problemas del compostaje de residuos con alta cantidad de agua

Desventajas de la CO-DIGESTIÓN ANAEROBIA - Control de la mezcla de substratos: la adición incontrolada de residuos con alto contenido en grasas y aceites puede causar la formación de capas de espuma y grasas flotantes - Aumento del coste de inversión: dependiendo del co-substrato usado se requiere de equipos q p de mezcla y/o y pretratamientos p que q eleva el coste de inversión de la planta p de co-digestión - Esterilización del digestato: en ocasiones el digestato obtenido requiere de una esterilización t ili ió y aumento t de d calidad lid d para poder d ser usado d como fertilizante f tili t - Restricciones de tierra para uso del digestato - El rendimiento económico de la planta depende de que el proceso se realice en condiciones óptimas y de la disponibilidad de los residuos - Para ciertas co-digestiones se encuentra en fase de investigación a escala laboratorio

Estudios CoDA en ensayos en discontinuo

Estudios CoDA en ensayos en discontinuo

Estudios CoDA en ensayos en discontinuo

Subproyecto Producción (PROBIOGÁS) Tareas del grupo USC en el proyecto:

- Armonización de métodos de análisis de residuos líquidos, sólidos y semi-sólidos - Caracterización de residuos: - Purín P í de d cerdo d - Residuo pesquero (residuos túnidos) - Glicerina (subproducto de la producción de biodiésel) - Biodegradabilidad de cada substrato - Elaboración de las mezclas que maximicen la producción de metano (uso de programación lineal) - Ensayos y en discontinuo y en continuo del p potencial metanogénico g de cada mezcla elaborada - Desarrollo de un modelo matemático para simular el proceso de co-digestión anaerobio bi (planta ( l t virtual) i t l)

Caracterización de los residuos a co-digerir

Parámetro

Purín

Pescado

Glicerina

Fracc Liqu (gliq/kghúmedo)

982,70 982 70 29,52 1,00 17,25 11,71 28,90 3,26 3,10 3, 0 0,52 0,04 7,70 1 50 1,50 1,06 9,14

631,00 631 00 140,40 1,12 369,00 270,00 409,60 33,58 0,65 34,93 0,67 0,25 28 00 28,00 209,90 32,00

1000 45,52 1,01 0 0 1390 0,19 0,00

Conductividad fracción soluble (mS/cm)

Densidad (kghúmedo/L) ST (gST/kghúmedo) SV (gSV/kghúmedo) DQO (gO2/kghúmedo) NTK (gN/kghúmedo) (gN/kghúmedo) / g ú edo) NH4 (g Cloluros (g/kghum) SO4 (gSO4/kghúmedo) Alcal Total (gCaCO3/L) Lí id (gLip/kghúmedo) Lípidos ( Li /k hú d ) Proteinas (gPro/kghúmedo) CH*** (gCH/kghúmedo)

31,96 77 32 77,32 1,19

Método Solver (ExcelR): programación lineal Tabla caracterización

% de cada susbtrato Método Solver

Restricciones Función Objeto: Maximizar la producción de metano Cálculo de la producción de metano (función objeto): Biodegradabilidad g total del substrato: LCH4/kghúmedo g

DQO de cada substrato: 350 LCH4/kgDQOeli

Velocidad de degradación del substrato: LCH4/kghúmedo·d Lip, p, Pro y CH de cada substrato y los ratios:

Según Neves et al. 2008 LCH4/gLip·d: 0,0346 LCH4/gPro·d: 0,042 LCH4/gCH·d: 0,027

Biodegradabilidad total del substrato: Solver1 Función objeto: maximizar la producción de metano según DQOT (LCH4/kghúm)

52,84011211 Purín 91,03139013

Pescado 0

Glicerina 8,968609867

Valor restricción

Valor solver

Datos mezcla

DQO/NTK>

50

50,58827596

densidad (kghum/L)

1,00

DQO/NTK


0,2

2,954858834

SV (gSV/kghúmedo)

10,66

N-NH4 (g/L)


0

8,300000001

Lip (gLip/kghúm)


3

9,875784754

Alcalinidad (3g/L)


15

4482,319266

Cloruros (g/L)


50

99,99201682 ,

densidad ((kghum/L) g )

1 00 1,00

DQO/NTK


0,2

2,682345037

SV (gSV/kghúmedo)

9,62

N-NH4 N NH4 (g/L)


0

15 00000003 15,00000003

Lip (gLip/kghúm)


3

12,01957268

Alcalinidad (3g/L)


15

8919,113227

Cloruros (g/L)


50

89 99999929 89,99999929

densidad (kghum/L)

1 01 1,01

DQO/NTK


0,2

3,5

SV (gSV/kghúmedo)

19,55

N NH4 (g/L)< N-NH4

35 3,5

35 3,5

CH4 esp. esp (LCH4/Lresiduo)

120 78 120,78

Humedad (gH2O/kghúm)


1000

972,3235114

Lip (gLip/kghúm)>

2

19 19254229 19,19254229

Lip (gLip/kghúm)


3

12,71943666

Alcalinidad (3g/L)


15

6300,443706

Cloruros (g/L)
2,28gLip/L

Comentarios sobre los ensayos desarrollados -La La mezcla 1 aumenta la producción de CH4 en 5 5,6 6 veces la producción del Blanco purín: Ratio exp e p STPLCH4/KgSubs 37,59

Ratio teórico STPLCH4/KgSubs 52,84

Mezcla 2

0,02

6,79

94,94

Mezcla 3

0,03

11,34

119,94

Blanco pesc

0,25

87,45

143,36

0,61

Blanco purín

0 02 0,02

6 66 6,66

10 12 10,12

0 66 0,66

Blanco glicerina

0,08

29,59

486,50

0,06

solvver

Mezcla 1

Ratio e exp p gDQOCH4/gSubstrato 0,11

Ensayo

% exp/teo 0,71 0 07 0,07 0,09

Tabla caracterización y velocidad de producción de metano a partir de Lip, Pro y CH Parámetro

Purín

Pescado

Glicerina

Fracc Liqu (gliq/kghúmedo)

982,70 29,52 1,00 17,25 11,71 28,90 3 26 3,26 3,10 0,52 0,04 7,70 1,50 1,06 9,14

631,00 140,40 1,12 369,00 270,00 409,60 33 58 33,58 0,65 34,93 0,67 0,25 28,00 209,90 32,00

1000 45,52 1,01 0 0 1390 0 19 0,19 0,00

Conductividad fracción soluble (mS/cm)

Densidad (kghúmedo/L) ST (gST/kghúmedo) SV (gSV/kghúmedo) DQO (gO2/kghúmedo) NTK (gN/kghúmedo) NH4 (gN/kghúmedo) Cloluros (g/kghum) SO4 (gSO4/kghúmedo) Alcal Total (gCaCO3/L) Lípidos (gLip/kghúmedo) Proteinas (gPro/kghúmedo) CH*** (gCH/kghúmedo) CH

Según Neves et al. al 2008 LCH4/gLip·d: 0,0346 LCH4/gPro·d: g 0,042 , LCH4/gCH·d: 0,027

31,96 77,32 1,19

Velocidad de degradación del substrato: Solver1 TRH (d) F Función ió objeto: bj t maximizar i i lla producción de metano según Lip, Pro y CH

30

0,972281397

(LCH4/kghúm·d) Purín 87 90261584 87,90261584

Pescado 4 302668712 4,302668712

Glicerina 7 794715443 7,794715443

Valor restricción

Valor solver

Datos mezcla

DQO/NTK>

20

35

densidad ((kghum/L) g )

1 01 1,01

DQO/NTK


0,2

4

N-NH4 N NH4 (g/L) (g/L)


5

8 550160458 8,550160458

Lip (gLip/kghúm)


3

9,270621254

Alcalinidad ca dad (3g/ (3g/L)< )

20 0

9,270621254 9, 06 5

DQO/SO4>

15

2467,311679

Cloruros (g/L)
VCO (gDQO/L·d)


20

45,00000006

densidad (kghum/L)

1,01

DQO/NTK


0,2

4

N-NH4 (g/L)


0

11,05366263

Lip (gLip/kghúm)


3

10,00554758

Alcalinidad (3g/L)


15

3119 188062 3119,188062

Cloruros (g/L)
VCO (gDQO/L·d)
DQO/NTK

40

60,00000037

densidad (kghum/L)

1 01 1,01

DQO/NTK


0,2

4

N-NH4 (g (g/L)< )

4

4

Humedad (gH2O/kghúm)


1000

966,6079193

CH4 esp. (LCH4/kgSV)

p (gLip/kghúm)> (g p g ) Lip

5

14,87215811 ,

Lip (gLip/kghúm)


3

11,1265024

Alcalinidad (3g/L)


15

4057,108253

Cloruros (g/L)
VCO (gDQO/L·d)