Digestión aerobia termofila autosostenida (atad) de fangos. Estudio experimental a escala real y modelización matemática del reactor

Resumen

DIGESTIÓN AEROBIA TERMOFILA AUTOSOSTENIDA (ATAD) DE FANGOS. ESTUDIO EXPERIMENTAL A ESCALA REAL Y MODELIZACION MATEMÁTICA DEL REACTOR #RESUMEN: Esta tesis se ha centrado en el estudio del tratamiento de fangos de E.d.a.r. mediante la digestión aerobia temófila autosostenida (atad).La digestión aerobia termófila es un tratamiento avanzado de fango que conlleva higienización siempre que se trabaje en periodos de duración mayor de 20 horas y a una temperatura igual o superior a 55 °C sin carga ni descarga de fango (EC, 2000). Para estudiar, por un lado, el tratamiento del fango en este proceso así como el funcionamiento del reactor y, por otro, obtener datos útiles para su diseño y operación, se ha llevado a cabo un estudio experimental de un digestor real de 350 m3 situado en la estación depuradora de aguas residuales de Tudela (Navarra). Se ha estudiado el reactor en dos escenarios de operación muy diferentes: como primer reactor dentro de un sistema dual (atad + digestión mesófila anaerobia, en serie) y como tratamiento único del fango. En ambos casos es objetivo del atad mantener el fango en condiciones de higienización, pero en el primer escenario se busca una mínima degradación de materia orgánica para obtener la máxima producción de biogás en la digestión anaerobia, y en el segundo caso se persigue la máxima estabilización del fango. Se ha realizado experimentalmente un completo balance energético en el digestor, para calcular la energía liberada durante la oxidación de materia orgánica en un reactor atad, habiéndose obtenido el valor de 13,93 MD-kg-l 02 consumido. Para poder analizar el comportamiento de ciertos parámetros que son muy difíciles de medir experimentalmente y poder analizar con mayor detalle el comportamiento del digestor, se ha realizado un nuevo modelo matemático del reactor que incluye tanto una parte bioquímica, que reproduce los procesos de degradación aerobia y los fenómenos fisicoquímicos, como una parte energética que permite predecir la temperatura del reactor. Una vez realizada una primera calibración del modelo con los resultados experimentales, se ha verificado con éxito su capacidad predictiva. This thesis has been focused on the study of the sludge treatment in WWTPs by means of autothermal thermophilic aerobic digesters (atad). The thermophilic aerobic digestión is an advanced sludge treatment in which hygienisation is achieved provided that the temperature is maintained at least at 55 °C for a 20 hours working period as a batch, without admixture or withdrawal during the treatment (EC, 2000). An experimental study has been carried out at the Tudela WWTP (Navarra) with a 350 m3 full-scale digester in order to study both the treatment of the sludge using this advanced process and the performance of the reactor, in addition to this, the study aimed providing experimental data for the design and operation of the process itself. Two different operational scenarios have been studied for the atad reactor: as a first stage in a dual system (atad + anaerobic mesophilic digester in series), and as sote sludge treatment. in both cases the obiective of the atad reactor is to achieve the sludge hygienisation. However, in the first scenario minimum organic matter removal is sought so that biogas producción in the anaerobic stage is máximum, while the second scenario aims at achieving máximum sludge stabilization. A complete energy balance has been made for the digester to evalúate the amount of energy released during the oxidation of organic matter in the digester. In this work, a valué of 13,93 MD»kg-l 02 consumed was obtained.%&/A new mathematical model of the atad digester has been developed to analyze the behaviour of certain parameters which are not easily measured experimentally. This model al so allows to make a more detailed analysis and to ?et a better understanding of the reactor behaviour. The model includes a iochemical part which reproduces both aerobic biodegradation processes and physical-chemical phenomena, and an energetic part that allows the temperature of the reactor to be predicted. once the first calibration of the model was done by using experimental data in a further step its predictive capacity was also successfully verified. Tesi honen helburu nagusia digestio aerobio termofilo eta autoiraunkorraren (data) bidezko hondakin-uren araztegietako lokatzen tratamendua ikertzea izan da. Digestio aerobio termofiloa lokatz-tratamendu aurreratua da. Tratamendu mota honek lokatzaren higienizazioa lortzeko ahalmena du, baldin eta 20 ordu baino gehiagoz 55 °C-tik gorako tenperaturak bermatzen badira eta denboraldi horretan lokatzik kargatzen edo deskargatzen ez bada (EC, 2000). Tuterako (Nafarroa) hondakin-uren araztegian kokaturiko 350 m3-ko digestore erreal batean ikerketa experimental bat egín da, al de batetik, lokatzaren tratamendua eta erreaktorearen funtzionamendua aztertzeko eta, bestetik, prozesuaren diseinu eta operazio lanak errazteko datuak lortzeko. Erreaktorearen funtzionamendua bi operazio egoera ezberdinetan aztertu da: sistema dual bateko lehen erreaktore moduan (data + digestore mesofilo anaerobioa seriean) eta lokatzaren tratamendu bakar gisa. Nahiz eta bi egoeretan DATAaren helburua lokatza hiqienizatzea izan, lehenengo kasuan materia organikoaren gutxieneko degradazio maila lortu nahi izan da, ondorengo digestio anaerobioan anal ik eta biogas ekoizpen handiena izan dadin. Bigarrengo kasuan, al diz, lokatzaren ahalik eta egonkortze maila altuela lortu nani izan da. Esperimentalki digestorearen balantze energetiko osoa gauzatu da data digestore batean materia organikoaren oxidazio bitartez askatzen den energia kalkulatu ahal izateko. Lortutako bal orea 13,93 MJ«kg-l»o2 erabilia-koa izan da. Eredu matematiko berri bat eraiki da esperimentalki neurtzea zaila den zenbait parametroren portaera eta digestorearen funtzionamendua xehetasun gehiagoz ezagutzeko asmoarekin. Eredu horrek hiru zati ditu: biokimikoa, degradazio aerobioari "loturiko prozesuak biltzen dituena; fisiko-kimikoa eta azkenik, energetikoa, erreaktorearen tenperatura iraqartzea "lortzen dueña. Lortutako emaitza esperimental en bitartez ereduaren leñen kalibrazioa gauzatu lehenik. ondoren, berriz, bere iragartze ahalmena egiaztatu da