Descripción del Proyecto & Objetivos

El proyecto LIFE+WOGAnMBR (Desarrollo y demostración de la tecnología AnMBR para el tratamiento y valorización de aguas residuales complejas de industrias agroalimentarias. LIFE13 ENV/ES/000779) aborda la problemática de las aguas industriales con alta concentración de materia orgánica compleja, generadas frecuentemente en industrias del sector de alimentación y bebidas, que en la actualidad se tratan mediante procesos convencionales que generan una gran cantidad de fangos y tienen un elevado consumo energético.

LIFE+WOGAnMBR se ha centrado en la problemática de aceites y grasas por ser una fuente muy importante de materia orgánica de difícil degradación que generalmente son eliminados mediante operaciones de pretratamiento que requieren reactivos químicos y generan fangos, con los que se desaprovecha su elevado potencial de producción de biogás.

El proyecto LIFE+ WOGAnMBR está orientado a demostrar la viabilidad técnica, económica y ambiental de un biorreactor AnMBR innovador, con una mínima producción de fangos y autosuficiente desde el punto de vista energético.

El objetivo del proyecto es el desarrollo y demostración del uso de las membranas AnMBR para el tratamiento y valorización de las aguas residuales complejas de industrias alimentarias. Este objetivo se alcanzará mediante el desarrollo de biorreactores anaerobios de membranas AnMBR como tecnología emergente para el tratamiento sostenible de las aguas residuales del sector agroalimentario; y mediante la construcción de un piloto demostrativo, que permita su aplicación en el sector agroalimentario.

Objetivos generales:


•    Desarrollo de una tecnología emergente como son los bioreactores anaerobios de membranas AnMBR, para el tratamiento de aguas residuales procedentes de industrias del sector agroalimentario, habitualmente sometidas a un proceso de desengrasado, generando importantes cantidades de fango desaprovechando su capacidad para producir energía.


•    Construcción de un piloto demostrativo que permita su aplicación en el sector agroalimentario, en condiciones económicas y técnicamente viables para las empresas.


Objetivos específicos:


•    Diseño y construcción de un piloto demostrativo basado en la tecnología de membranas para la retención de fango en biorreactores anaerobios (AnMBR), equipada exclusivamente con componentes comerciales.


•    Adaptación de los procesos biológicos anaerobios al tratamiento de aguas residuales brutas con elevado contenido en aceites y grasas y evaluación de la capacidad de producción de biogás en condiciones reales de operación.


•    Implementación y demostración del piloto AnMBR en industrias del sector alimentario afectadas por la problemática de los aceites y grasas en sus vertidos.


•    Optimización del sistema en condiciones reales de operación, tanto de los procesos biológicos como de los procesos físicos de separación por membranas.


•    Identificación de la configuración de la membrana más adecuada, así como las condiciones que rigen el rendimiento de la membrana, con un menor coste de inversión y de operación.


•    Reducir el consumo de combustibles fósiles y huella del carbono, estudiando la valorización energética del biogás en las propias instalaciones de calefacción de las industrias.


RESULTADOS ESPERADOS INICIALMENTE:

•    Obtención de datos fiables acerca de la viabilidad del tratamiento anaerobio avanzado de aguas residuales con elevado contenido en aceites y grasas mediante el empleo de la tecnología de membranas (AnMBR).


•    Construcción de una planta piloto con una capacidad de tratamiento superior a 1 m3 diario, que pueda ser transportada y operada in situ para la demostración a escala pre-industrial de la eficiencia del proceso y el adecuado diseño del sistema de depuración basado en la tecnología AnMBR.


•    Reducción del 100% en la adición de reactivos químicos para el pre-tratamiento de las aguas residuales, que en la actualidad representa del orden de 0.5 – 1.0 kg de coagulante tipo PCBA, 0.01 – 0.05 kg de floculante tipo poliacrilamida y 0.1 – 0.2 kg de sosa por metro cúbico de agua tratada, según la dosis característica de estos reactivos en la depuración de aguas residuales generadas en las operaciones de limpieza de una fábrica de snacks.


•    Reducción superior al 90% en la producción de los fangos comúnmente generados en las etapas de pre-tratamiento físico-químico que, dependiendo de las características del agua, representa del orden de 40 – 70 kg de fangos deshidratados con una sequedad del 20% por metro cúbico de aguas residuales tratadas.


•    Valorización del 100% de los aceites y grasas de las aguas residuales con producción de biogás, en proporción 0.54 – 0.62 m3 de biogás en condiciones normales de presión y temperatura por kilogramo de materia orgánica expresada como Demanda Química de Oxígeno (DQO), de acuerdo con la estequiometría del proceso 0.350 Nm3 CH4/g DQO, para una concentración de metano en el biogás del 60 – 70%, siendo su poder calorífico 5.8 – 7.0 kWh/m3 en función de la concentración de metano en el mismo.


•    Reducción en las correspondientes emisiones de gases efecto invernadero de acuerdo con el carácter neutro del biogás con respecto a las emisiones de CO2, en proporción de 0.2 – 0.25 kg CO2/kWh dependiendo del tipo de combustible sustituido, lo que representa entre 0.72 – 0.9 kg CO2/kg materia orgánica tratada.


•    Concienciar a las empresas de que la reducción en el consumo de agua en las operaciones de limpieza, además de ser respetuoso con el medio ambiente, facilita el tratamiento y la eficiencia energética del sistema.

Resúmen de Resultados

La tecnología AnMBR permite la valorización de los aceites y grasas de modo que el biogás producido no solamente permite compensar el consumo energético de la planta depuradora sino que reduce la demanda energética de la planta de producción.

La tabla 1 muestra la comparativa de los resultados esperados en el proyecto y los obtenidos tanto en los ensayos previos de laboratorio como en el prototipo. Las mayores discrepancias entre los resultados de laboratorio y los obtenidos en el prototipo reflejan la necesidad de realizar estudios a largo plazo como única forma de validar la tecnología. El mayor problema encontrado en el prototipo es el enorme estrés mecánico al que se encuentran sometida la biomasa anaerobia, que a largo plazo merma su actividad. La liberación de compuestos solubles de origen microbiano da lugar a efluentes de peor calidad y presiones transmembranales más elevadas que las obtenidas en los ensayos de laboratorio a corto plazo y a escala prepiloto.

Es importante destacar que con el diseño actual del prototipo no es inviable el tratamiento y valorización de aguas residuales con aceites y grasas conforme con los objetivos propuestos. Se han alcanzado rendimientos de eliminación de materia orgánica comprendidos entre en 80-90% en la operación en condiciones variables, sin embargo, el diseño del prototipo construido no permite alcanzar la estabilidad deseada, siendo necesario reinocular el biorreactor para recuperar biomasa activa. A pesar de que los resultados obtenidos con la planta piloto no tuvieron la fiabilidad deseada para realizar un estudio de viabilidad y actividades de demostración, sí han permitido evaluar el potencial de valorización de los aceites y grasas mediante la tecnología AnMBR, siendo necesario destacar que la combinación del proceso biológico y de filtración requiere evitar exponer a la biomasa a etapas de bombeo agresivas.

Actualmente se está preparando un postLIFE con financiación privada para la reformulación de algunas partes de la planta piloto para solventar los problemas encontrados y su operación durante 9 meses en una industria de alimentación y bebidas.


Los resultados en relación con la reducción del consumo de reactivos y de la producción de fangos, y la producción y calidad del biogás generado, recogidos en la tabla, justifican el balance económico positivo de la combinación del tratamiento anaerobio y la ultrafiltración con membranas. Por ese motivo el análisis de ciclo de vida y el análisis de costes beneficios se ha realizado sobre la base de la tecnología AnMBR exenta de los problemas de daño celular propios del prototipo.


Los cálculos de OPEX y CAPEX de las depuradoras de Eurofrits y PepsiCo y se han comparado con la tecnología AnMBR escalando los resultados en función del caudal y las características del agua residual de cada industria.

Cabe destacar que el sistema AnMBR, a pesar de reducir el OPEX significativamente, su CAPEX puede llegar a ser más elevado debido al coste de la instalación del sistema de cogeneración de biogás. Globalmente, el coste de la tecnología AnMBR frente a la depuradora convencional, se reduce en un 20% en el caso de Eurofrits y en un 3% en el caso de PepsiCo. Esta diferencia se debe a que la depuradora convencional de Eurofrits está sobredimensionada y el coste por m3 resulta más elevado.


Por otra parte, la unidad de cogeneración no solo permite cubrir la demanda térmica y eléctrica de la planta piloto, sino que con la energía sobrante se puede aprovechar en la planta de producción de las propias fábricas y ahorrar en consumo de gas natural y electricidad. De este modo, en el caso de Eurofrits, se podría llegar a ahorrar hasta 0.75 €/m3 de agua depurada y en PepsiCo hasta 2.3 €/m3 de agua depurada. Een ambas fábricas los OPEX de la tecnología AnMBR son inferiores que los del tratamiento convencional físico-químico, un 27% en el caso de Eurofrits y un 46% en el caso de PepsiCo. El coste de electricidad se ve totalmente reducido ya que en la cogeneración de biogás se obtiene electricidad suficiente para compensar el consumo energético del sistema AnMBR.


Los costes asociados a la gestión de fangos disminuyen entre un 40% - 70% debido a la reducción de la producción de fangos. En el caso de PepsiCo, es relevante la reducción en químicos asociados al proceso (69%), ya que el consumo en la coagulación- floculación era muy elevado debido a la elevada carga de aceites y grasas. Por el contrario, en ambos casos, los costes de mantenimiento aumentan en más de un 70% debido al coste de reposición de membranas y el mantenimiento del motor de cogeneración.

La viabilidad de una planta de tratamiento de aguas residuales del sector agroalimentario con la tecnología AnMBR dependerá del ajuste en los costes de construcción, ya que la operación y mantenimiento de la planta serán mucho más económicos.


IMPACTO MEDIOAMBIENTAL Y ECONÓMICO

En el caso del empleo de la tecnología AnMBR en Eurofrits, la electricidad producida en la cogeneración a partir de biogás, reduce la huella de carbono de los otros procesos hasta casi 0 kg CO2/m3. En el caso de PepsiCo, donde la DQO del vertido es mucho mayor, la mayor producción de electricidad hace que la huella sea negativa. El resultado de la huella de carbono negativo se interpreta como un beneficio ambiental derivado de la alta producción de biogás.

La tecnología AnMBR permite reducir un 92% la huella de carbono respecto al tratamiento convencional en Eurofrits. En PepsiCo, el empleo de esta tecnología reduciría teóricamente la huella de carbono en un 230%.


Resultados WOGAnMBR

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