Desulfuración de biogás mediante un biofilro percolador piloto con bacterias nitrato-reductoras sulfoxidantes

Resumen

El biogás es una fuente de energía renovable que aprovecha la capacidad calorífica remanente en el metano que lo compone. Está compuesto principalmente por metano y dióxido de carbono, junto a estos, pueden estar presentes intermediarios de la digestión anaerobia (hidrógeno, compuestos orgánicos volátiles, etc) y compuestos reducidos de azufre (principalmente sulfuro de hidrógeno). El sulfuro de hidrógeno es un gas tóxico y corrosivo que puede causar un rápido deterioro de equipos y, además su combustión genera óxidos de azufre corrosivo, de elevada toxicidad y nocivos para el medio ambiente. La presente tesis tiene como objetivo el estudio de la eliminación del sulfuro de hidrógeno, contenido en una corriente de biogás real, mediante el empleo de un biofiltro percolador anóxico piloto. Para alcanzar este objetivo, se construyó un biofiltro percolador de 0,167 m3, de volumen de lecho, que fue instalado en la EDAR "Bahía Gaditana" (San Fernando, España) y fue alimentado con una fracción del biogás generado en uno de sus digestores anaerobios. El biofiltro fue equipado con sistemas de medición y registro de las principales variables (temperatura, pH, potencial de óxido reducción, nivel de líquido, etc.) lo que permitió programar una serie de alarmas y actuaciones de control en función de estas señales analógicas y digitales. La inoculación fue llevada a cabo usando 85 L de agua residual procedente del desarenador-desengrasador de la propia EDAR, mezclado con 2,75 L de la solución concentrada de nitrato. Se evaluaron tres modos de dosificación de nitrato (manual, continuo y automatizado mediante el seguimiento del potencial de óxido reducción). Se seleccionaron las condiciones óptimas para el arranque del biofiltro percolador anóxico y el modo de dosificación de nitrato más adecuado. Durante este primer periodo la capacidad de eliminación máxima fue 109 gS m-3 h-1 y la capacidad de eliminación crítica fue 51,9 gS m-3 h-1. Se observaron dos tendencias claras en la formación de los productos de reacción; en una primera etapa se observó un desplazamiento claro a la generación de azufre elemental, que coincidió con la etapa en la que no existió aporte suplementario de nutrientes. En este periodo, el porcentaje de sulfato formado fue del 15±5%. En la segunda etapa, una vez enriquecido el medio mineral con nutrientes, se observó una clara tendencia a la generación de sulfato (67±16%). El valor máximo de consumo de nitrato durante este periodo fue 91,6 mol N-NO3 (m3 lecho)-1 d-1, que coincidió con el momento de carga máxima (120,3 gS m-3 h-1). Posteriormente, se evaluó el efecto de los caudales de biogás y recirculación, y la concentración de nitrato sobre el porcentaje de eliminación del biofiltro percolador anóxico. Los mayores porcentajes de eliminación se obtuvieron a bajo caudal de biogás (baja carga de sulfuro de hidrógeno). En todos los casos, se observó, que para una concentración de nitrato por debajo de una concentración crítica, el porcentaje de eliminación fue dependiente de la concentración de nitrato. Los efectos más importantes sobre el porcentaje de eliminación fueron la carga y el caudal de recirculación. Para obtener porcentajes de eliminación superiores al 95%, fue necesaria una concentración de nitrato mínima de 30 gN-NO3 m-3, para una carga de 80 gS m-3 h-1. Para una carga superior a 110 gS m-3 h-1, fue necesario concentraciones superiores a 165 gN-NO3 m-3. También fue evaluado el efecto de la altura de lecho. La variación del porcentaje de eliminación a lo largo de la altura del lecho fue dependiente tanto del caudal de biogás, como del caudal de recirculación. Los efectos más importantes sobre el porcentaje de eliminación, considerando la altura, fueron en primer lugar, la carga y en segundo lugar, la altura de lecho. Se alcanzó una carga de entrada de 720 gS m-3 h-1 para una altura de 0,2 m. La capacidad máxima de eliminación fue de 299 gS m-3 h-1 (RE = 41,5%) y el porcentaje de eliminación fue superior al 95% para una carga de entrada hasta 153 gS m-3 h-1 (H=0,6 m). Una vez obtenidos los caudales óptimos de biogás y de recirculación, se procedió a la comparación entre modos de operación para el biofiltro percolador anóxico. Se evaluó, para una dosificación de nitrato automatizada mediante potencial de óxido reducción, los flujos en contracorriente y en paralelo. Así mismo, se evaluó la carga continua de agua industrial enriquecida con nitrato en flujo en contracorriente. La operación de flujo en paralelo se realizó durante 60 días, durante este periodo, la capacidad de eliminación mejoró equiparándose a la obtenida en el modo de flujo en contracorriente. La capacidad máxima de eliminación, para el modo de operación en contracorriente, fue 140 gS m-3h-1 (RE 84%) y la capacidad crítica de eliminación fue 56 gS m-3h-1 (RE 98%). Para el modo de operación en flujo paralelo las capacidades máximas y críticas de eliminación fueron 118 gS m-3h-1 (RE 80%) y 33 gS m-3h-1 (RE 99%), respectivamente. Durante los dos meses de operación en paralelo, se observó la eliminación de azufre elemental del material de soporte en la parte inferior del lecho y un aumento en la inmovilización de la biomasa en la parte superior. El modo de operación en continuo tuvo un menor rendimiento (capacidad de eliminación máxima de 88,4 gS m-3 h-1) que los modos de operación anteriores, debido a que el caudal de percolación de líquido no alcanzó el óptimo (1,7 frente a 3 m3 h-1) y el consumo en nitrato fue superior (21,8 ± 2,3 y 69,8 ± 4,3 gN-NO3 h-1). En la última parte de la presente tesis, se ha desarrollado un modelo matemático para un biofiltro percolador anóxico, a partir de la realización del balance de materia al lecho y al volumen de recirculación. Se han considerando los fenómenos más importantes que se producen en la operación de un biofiltro percolador: advección, absorción, difusión y biodegradación. El modelo tiene en cuenta el efecto de los caudales de biogás y de recirculación sobre el porcentaje de eliminación, además del de la concentración de nitrato. El modelo fue correctamente calibrado y validado a partir de los resultados obtenidos para el tratamiento de una corriente de biogás real. Además, este modelo fue empleado en la evaluación de seis estrategias de control. La estrategia óptima dependerá de las características de cada escenario individual, sin embargo, el modelo matemático desarrollado es una herramienta poderosa, para evaluar todas las posibles estrategias a la hora de considerar y cuantificar los ahorros y mejoras en diferentes modos de operación.