Tratamiento de biogás con recuperación de nutrientes de digestato en un fotobioreactor exterior de lagunaje mediante sistemas algas-bacterias

   El tratamiento simultáneo de biogás para obtener biometano y de digestato fue evaluado en un fotobioreactor de tipo lagunaje situado al aire libre e interconectado a una columna de absorción de CO₂ y H₂S desde septiembre hasta diciembre 2016.

   La concentración máxima de CH₄ medida en el biometano obtenido fue del 94%, con eliminación completa de H₂S y con eficiencias de eliminación de CO₂ entre 70% y 90%, dependiendo de las condiciones ambientales de trabajo.

D. Marín, E. Posadas, R. Lebrero, R. Muñoz

Departamento de Ingeniería Química y Tecnología del Medio Ambiente. Universidad de Valladolid. C/ Real de Burgos, s/n, Sede Doctor Mergelina. CP 47011 - Valladolid

   Conflictos de interés: El autor declara que no existe conflicto de intereses.

   Editor académico: Carlos N Díaz.

   Calidad del contenido: Este artículo científico ha sido revisado por al menos dos revisores. Vea el comité científico aquí

   Cita: D. Marín, E. Posadas, R. Lebrero, R. Muñoz, 2017, Tratamiento de biogás con recuperación de nutrientes de digestato en un fotobioreactor exterior de lagunaje mediante sistemas algas- bacterias, IV Conferencia Internacional sobres gestión de Olores y COVs en el Medio Ambiente, Valladolid, España, www.olores.org

   Copyright: Los autores retienen la propiedad del copyright de sus artículos, pero los autores permiten a cualquier persona descargar, reusar, reimprimir, modificar, distribuir y/o copiar artículos del sitio web de olores.org, siempre que se citen los autores originales y las fuentes. No es necesario permiso específico de los autores o de los editores de esta web.

   ISBN: 978-84-697-7359-8

   Palabras claves: Biometano, condiciones al aire libre, microalgas, purificación de biogás, tratamiento de aguas residuales.

Descargar presentación aquí

Vídeo

Resumen

   El tratamiento simultáneo de biogás para obtener biometano y de digestato fue evaluado en un fotobioreactor de tipo lagunaje situado al aire libre e interconectado a una columna de absorción de CO₂ y H₂S desde septiembre hasta diciembre 2016. La concentración máxima de CH₄ medida en el biometano obtenido fue del 94%, con eliminación completa de H₂S y con eficiencias de eliminación de CO₂ entre 70% y 90%, dependiendo de las condiciones ambientales de trabajo.

   El tratamiento de digestato alcanzó eliminaciones de carbono orgánico total entre 57±4% y 82±5%, de carbono inorgánico de 100±1%, de nitrógeno total entre 80±6% y 89±7% (con eliminación total de N-NH₄⁺) y eliminaciones de P-PO43- entre 72±4% y 94±2%. Finalmente, el deterioro de las condiciones ambientales conllevó una disminución de productividad de biomasa algal desde 15 hasta 7.5 g/ (m²·d).

Introducción

   El biogás producido a partir de la digestión anaerobia de los residuos orgánicos representa una importante fuente de energía capaz de reducir el alto consumo de combustibles fósiles (Posadas et al, 2015). Para que este biogás pueda inyectarse en la red de gas natural o pueda ser utilizado como combustible en vehículos debe ser purificado, siendo necesario obtener concentraciones de CH₄≥95%, de CO₂≤2% y de O₂≤0.3%. En este contexto, los sistemas microalgas-bacterias aplicados al tratamiento de biogás son respetables con el medio ambiente y constituyen una técnica efectiva y de bajo coste en comparación con los procesos convencionales físico-químicos aplicados actualmente para este tratamiento (Muñoz et al, 2015).

   A su vez, estos sistemas biológicos se pueden integrar con el tratamiento simultáneo de digestato, de forma que es posible recuperar sus nutrientes en una biomasa algal revalorizable aumentado así la sostenibilidad del proceso. A pesar de que existen varios estudios centrados en el tratamiento simultáneo de biogás y de digestato en fotobioreactores interconectados a columnas de absorción, todos ellos se han desarrollado en el laboratorio, es decir, en condiciones controladas de temperatura y radiación (Toledo-Cervantes et al, 2016; Muñoz et al, 2015; Posadas et al, 2015, 2016). En este escenario se ha llevado a cabo el presente trabajo de investigación, en el cual se ha evaluado el tratamiento de biogás y de digestato al aire libre de manera simultánea mediante la tecnología algas-bacterias con el objetivo de determinar la influencia de las condiciones ambientales en el proceso.

Materiales y métodos

   Durante el desarrollo de este estudio se trabajó con biogás sintético (CH₄: 70%; CO₂: 29.5% y H₂S: 0.5%) y digestato proveniente de la depuradora de Valladolid (250±25 mg L^-1 de carbono orgánico total (COT), 2000±100 mg L^-1 de carbono inorgánico (CI), 500±25 mg L^-1 de nitrógeno total (NT) y 35±5 mg L^-1 de P-PO43-). El sistema experimental consistió en un fotobioreactor de lagunaje de 180 L (operado a 56 días de tiempo hidráulico de residencia (THR)) interconectado a una columna de absorción (AC) de 2.5 L (operada a 45 minutos de THR) (Toledo-Cervantes et al, 2016; Posadas et al, 2017) (Figura 1).

Figura 1. Diagrama del montaje experimental utilizado para el tratamiento de biogás con recuperación de nutrientes del digestato

   La experimentación se llevó a cabo al aire libre en la Universidad de Valladolid desde septiembre a diciembre en 2016. Durante este período se trabajó en 4 etapas diferentes, caracterizadas principalmente por la variación de las condiciones ambientales que determinaron la productividad de biomasa algal en cada fase. También se modificaron otros parámetros en el sistema como el ratio líquido/gas (L/G) en la columna de absorción (Tabla 1) (Posadas et al, 2015). El efluente se minimizó durante todo el proceso para maximizar la recuperación de carbono y nutrientes del digestato en la biomasa cosechada.

Tabla 1. Características de operación en las cuatro diferentes etapas

   La calidad del biometano obtenido y la eficacia de tratamiento de digestato fueron evaluadas dos veces por semana.

Resultados y discusión

   La concentración de oxígeno disuelto (OD), la temperatura y el pH en el medio de cultivo del fotobioreactor variaron en función de las condiciones ambientales en cada etapa de operación (Figura 2). Así, la temperatura descendió desde 16±1ºC en la etapa I hasta 4±1ºC al final del período IV (Figura 2a). El deterioro de las condiciones ambientales durante el transcurso de la estación otoñal conllevó una disminución de pH desde 10.0±0.2 hasta 9.2±0.2 como consecuencia de una menor actividad algal (Figura 2b). Sin embargo, la bajada de temperatura conllevó un aumento de OD en el medio de cultivo desde 4±2 mgO₂ L-1 al inicio de la etapa I hasta 10±2 mgO₂ L^-1 al final del período de operación (Figura 2c). Independientemente de estas variaciones en las diferentes etapas, todos los parámetros se encontraron dentro del rango aceptable para que los microorganismos pudieran llevar a cabo su actividad biológica (Muñoz et al, 2015).

Figura 2. Evolución de (■) temperatura, (○) OD y (▲) pH durante las etapas I, II, III y IV.

   La calidad del biometano obtenido durante todo el proceso varió en función de las condiciones ambientales (Tabla 1; Figura 3). En la etapa I, y comienzo de la etapa II, se obtuvieron los mejores resultados en la composición del biometano producido (concentración de CH4 de 93±1%). El porcentaje de CH4 en el biometano disminuyó en el resto de etapas (hasta 87±1%), lo que pudo ser debido al efecto combinado de la influencia de la temperatura y pH en el medio (Figura 2; Figura 3) (Posadas et al., 2016; 2017).

   Una eliminación completa de H₂S fue registrada en la mayor parte del proceso como consecuencia de la buena transferencia de H₂S desde la fase gas a la líquida (Toledo-Cervantes et al, 2016). La eficacia en la eliminación de CO₂ varió entre el 70% y 90%, alcanzando las mayores eliminaciones en las etapas I (86±1%) y II (81±1%) (Figura 3). El aumento del ratio L/G en las dos etapas posteriores no aumentó la eficacia de eliminación de CO₂, lo que indica que posiblemente la disminución de pH en el medio como consecuencia de una menor actividad fotosintética fuera determinante en la transferencia de este gas desde la fase gas a la líquida al disminuir el gradiente de transferencia de CO₂ (Posadas et al, 2016; 2017).

Figura 3. Evolución de concentraciones de (■) CH4, (▲) CO2, (♦) H2S, (○) O2 y (●) N2 en el biometano producido. En la figura b) también se muestra la eficiencia de eliminación de (∆) CO2 y (◊) H2S.

   Finalmente, el tratamiento de digestato fue satisfactorio a lo largo de todo el proceso independientemente de las condiciones de operación. Se registraron eficacias de eliminación de COT entre 57±4% y 82±5%, de CI del 100±1%, de NT entre 80±6% y 89±7% (con eliminación total de N-NH₄⁺) y de P-PO43- entre 72±4% y 94±2%.

Conclusiones

   El deterioro de las condiciones ambientales y la disminución de temperatura en el medio provocó un aumento en la concentración de OD y una disminución del pH, lo que conllevó una menor eliminación de CO₂ y, consecuentemente, una menor calidad del biometano obtenido. El tratamiento de digestato fue efectivo independientemente de las condiciones de operación, lo que corroboró la robustez de la interacción microalgas-bacterias para la depuración de aguas residuales.

Referencias

   Muñoz, R., Meier, L., Jeison, D. 2015. A review on the state-of-the-art of physical/chemical and biological technologies for biogas upgrading. Reviews in Environmental Science and Bio/Technology. 14, 727-759.

   Posadas, E., Serejo, M.L., Blanco, S., Pérez, R., García-Encina, P.A., Muñoz, R. 2015. Minimization of biomethane oxygen concentration during biogás upgrading in algal-bacterial photobioreactors. Algal Research 12, 221-229.

   Posadas, E., Szpak, D., Lombó, F., Domínguez, A., Díaz, I., Blanco, S., Pérez, R., García-Encina, P., Muñoz, R. 2016. Feasibility study of biogas upgrading coupled with nutrient removal from anaerobic effluents using microalgae-based processes. Journal of Applied Phycology 28(4), 2147-2157.

   Posadas, E., Marín, D., Blanco, S., Lebrero, R., Muñoz, R. 2017. Simultaneous biogas upgrading and centrate treatment in an outdoors pilot scale high rate algal pond. Bioresource Technology 232, 133-141.

   Toledo-Cervantes, A., Serejo, M., Blanco, S., Pérez, R., Lebrero, R. and Muñoz, R. 2016. Photosynthetic biogas upgrading to bio-methane: Boosting nutrient recovery via biomass productivity control. Algal Research 17, 46-52.