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Ingeniería ambiental

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Tratamiento de aguas residuales, efluentes y aire al servicio del Medio Ambiente

Cogeneración a partir de residuos

Secciones

Cogeneración

La generación de energía eléctrica se puede llevar a cabo mediante una gran variedad de procesos.

En la mayoría de estos procesos encontramos una dinamo o alternador que son movidos por un motor térmico o una turbina.

En cualquiera de los distintos tipos de centrales empleadas para energía eléctrica es necesario:

  • Planta de tratamiento de aguas (PTA): con la que limpiar de impurezas el agua que se ha de utilizar para transformarla en vapor
  • Planta de tratamiento de efluentes (PTE): que permita tratar los efluentes que se obtienen tras el proceso de generar energía eléctrica.

Al generar la energía eléctrica no se aprovecha todo el calor del vapor. Esta energía térmica “sobrante” puede ser emitida a la atmósfera, con lo que se pierde y no se aprovecha todo su potencial, o puede ser reaprovechada.

Aquí es donde entran en escena las diferentes técnicas de cogeneración.

La cogeneración consiste en la producción simultánea, y aprovechamiento, de dos o más tipos de energías diferentes; normalmente, energía eléctrica y energía térmica (calor).

A diferencia del proceso convencional de producción de electricidad en centrales térmicas, en el que se produce una gran cantidad de calor que no se aprovecha y que se libera al medio ambiente, en los sistemas de cogeneración, implícitamente, la planta de producción de energía está cerca del lugar de consumo de la misma.

La posibilidad de utilizar un residuo como materia prima para un proceso de producción de energía es muy atractiva tanto desde el punto de vista económico como desde el ambiental. Económicamente, porque se transforma un residuo (que lleva asociado un coste de gestión) en energía (que implica un ingreso económico). Y ambientalmente, porque es una vía de reducir la cantidad de residuos generados.

Las tecnologías de cogeneración permiten alcanzar unos rendimientos del 85%, si sumamos el vapor con el que se genera electricidad y el calor residual que se reaprovecha, lo que favorece a la obtención de elevados índices de ahorro energéticos sin alterar el proceso productivo.

Las diferentes tecnologías utilizadas en la PTA y en la PTE tienen necesidades térmicas importantes, que pueden ser cubiertas mediante las plantas de cogeneración.

La clave es aprovechar los gases de escape y la energía térmica procedentes de los circuitos de refrigeración de los motores, aprovechándolos para aportar la energía calorífica necesaria para diferentes equipos como los evaporadores al vacío, los cristalizadores o las plantas de ósmosis inversa.

De esta forma, se consigue mejorar la eficiencia con intercambiadores para calentar el líquido antes de entrar al evaporador, aprovechando el calor latente de condensación de los vapores.

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Instalaciones para albergar cogeneración

Así pues, las instalaciones idóneas para albergar un proceso de cogeneración deberán, por un lado, producir un residuo que sea combustible o pueda ser transformado en un combustible. Y por el otro lado, deberán tener demanda de energía térmica y energía eléctrica. Estos requisitos se cumplen fácilmente en:

  1. Plantas Tratamiento de Aguas Residuales por proceso biológico (Urbanas e Industriales): Los lodos generados, a través de un proceso de digestión anaerobia, son transformados en biogás (dióxido de carbono y metano) y lodos estabilizados, los cuales tienen aplicación agrícola como fertilizantes.

    El biogás, dependiendo de la riqueza relativa en metano que posea, tiene un mayor o menor poder calorífico, que en cualquier caso puede ser utilizado en un proceso de cogeneración.

    En las plantas de tratamiento de aguas residuales, la energía térmica producida en el proceso de cogeneración se puede utilizar para mantener constante la temperatura del digestor anaerobio (a 36 º C) y para calentar previamente los lodos digeridos antes del proceso de deshidratación, y consecuentemente aumentar la eficacia de esta operación.

  2. Explotaciones agrícolas y/o ganaderas (con producción de residuos biodegradables sometidos a tratamiento de digestión anaerobia): reduciendo la cantidad de residuos y generando una considerable cantidad de biogás.

    En este tipo de explotaciones, el calor que se desprende en la cogeneración se puede utilizar para mantener a una temperatura confortable las naves en las que se encuentran los animales, para mantener controlada la temperatura en los invernaderos y para disminuir la sequedad del residuo sólido final precalentándolo previamente a la deshidratación.

  3. Vertederos de residuos sólidos urbanos (RSU): las condiciones en las que se encuentran los residuos y su naturaleza orgánica producen un proceso natural de biometanización en el que se genera biogás.

    En los vertederos de RSU, la energía térmica excedente de la cogeneración puede ser de gran utilidad en el proceso de tratamiento de los lixiviados generados, concretamente, para reducir la humedad del residuo final, incluso hasta llegar a secarlo, mediante un proceso de concentración-evaporación.

Tecnologías de Cogeneración

Para transformar el biogás en energía eléctrica y energía térmica existen dos tecnologías alternativas:

  • Motores de Combustión
  • Microturbinas

Teniendo en cuenta las características principales de ambas tecnologías podemos disponer de un comparativo general de ambas:

  • Concentración mínima de Metano (CH4): Los motores de combustión sólo son válidos cuando la concentración de metano en el biogás es superior al 40%. Las microturbinas pueden operar con una riqueza de metano del 30% (35% en el arranque).

  • Eficacia Eléctrica y Térmica: Los motores de combustión tienen una eficacia eléctrica del 35-40% y una eficacia térmica del 35-40%, mientras que en las microturbinas la eficiencia eléctrica es del 25-30% y la térmica del 55-60%. Considerando la eficiencia global (la suma de la eficiencia eléctrica y de la eficiencia térmica), las microturbinas presentan mejores resultados que los motores de combustión.

  • Mantenimiento y rodamientos: las microturbinas sólo tienen una parte móvil y son lubricadas por aire, mientras que los motores de combustión son mucho más complejos a nivel mecánico y precisan de aceite para su lubricación. Esto hace que el mantenimiento necesario de las microturbinas sea muy bajo mientras que los motores necesitan de atención constante.

  • Emisiones: los motores de combustión generan mayor cantidad tanto de monóxido de carbono como de óxidos de nitrógeno.

En el caso de los motores, el calor excedente se obtiene de dos fuentes diferentes: del circuito de refrigeración y de los gases de combustión, mientras que, en el caso de las microturbinas, la energía térmica se obtiene de una única corriente, aprovechando la alta temperatura de los gases de combustión.

Tanto en el caso de los motores de combustión como en el de las microturbinas, el biogás debe ser limpiado antes de entrar en contacto con estos equipos. En ambos casos se deben eliminar del biogás los siloxanos, los cuales se adsorben en un filtro de carbón activo. En el caso de los motores de combustión, además, también se debe eliminar del biogás el sulfuro de hidrógeno (H2S), el cual es un ácido muy corrosivo.

Características motores cogeneracion

Conclusiones

Así pues, mediante un proceso de cogeneración se puede reducir la cantidad de residuo generado a la vez que se produce energía eléctrica, que se puede autoconsumir o vender a través de la red general, y energía térmica, que se puede utilizar tanto dentro del propio proceso, como para reducir la humedad del residuo final mediante técnicas de evaporación-concentración.

Tanto por la reducción de la cantidad de residuo como por la producción de energía, el proceso de cogeneración es completamente viable económicamente y el período de retorno de la inversión suele ser relativamente corto.

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Biometanización de RSU (Residuos sólidos urbanos)

La biometanización es un proceso en el que una selección natural de microorganismos descompone mediante una digestión anaerobia la materia orgánica, en ausencia de oxígeno, en biogás y un residuo sólido estabilizado (aproximadamente, la mitad en peso que el residuo de partida). El biogás, que es una mezcla de metano, dióxido de carbono y otros gases minoritarios, puede ser utilizado como combustible puesto que, si bien su composición depende de la materia orgánica digerida, la riqueza en metano suele estar entorno al 60%.

A pesar de que el proceso de digestión anaerobia se estudia desde a mediados del siglo pasado, su aplicación para el tratamiento de la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos (FORSU) es relativamente reciente. De hecho, la implantación de la recogida selectiva de residuos, con la separación de la fracción orgánica, ha sido una de las causas que han empujado al desarrollo de nuevas vías de tratamiento. La FORSU se caracteriza por tener una elevada humedad, por lo que salidas típicas como la incineración o la disposición en vertedero no son las más adecuadas.

Así pues, los tratamientos más interesantes para la fracción orgánica son dos: la biometanización y el compostaje, con sus respectivas variantes. La ventaja principal que presenta la primera técnica en relación a la segunda es el hecho de que se trata de una tecnología que no sólo no consume energía, sino que la produce. Además, se trata de una energía renovable que contribuye a la disminución de la producción de gases con efecto invernadero. Este balance energético obviamente tiene un impacto positivo en los costes de explotación. Además, la digestión anaerobia es una tecnología especialmente adecuada para el tratamiento de residuos sólidos con un grado de humedad alto y que requiere un equilibrio de nutrientes menos estricto que el compostaje. Esto hace que en el caso de falta de disponibilidad de residuos de origen vegetal, la digestión anaerobia pueda ser técnicamente más adecuada. En contraposición, el proceso de biometanización es más complejo, porque necesita más etapas de proceso desde que la fracción orgánica entra en planta. Esto repercute en una mayor inversión inicial para su implantación.

En el proceso de biometanización se ha comprobado que en la mayoría de casos se produce mayor cantidad de biogás, y con una riqueza más elevada de metano, si el sustrato a digerir es una mezcla de FORSU y lodos de EDAR, lo que se conoce como codigestión. Los lodos de EDAR son una fuente muy importante de nutrientes y además en una proporción muy equilibrada.

El proceso de biometanización se inicia con la alimentación del sustrato orgánico (FORSU, lodos de EDAR o una mezcla de ambos) en el digestor anaeróbico, el cual opera con un tiempo de residencia en torno a 20-25 días. Del digestor salen dos efluentes, uno gaseoso, el biogás; y el otro líquido, el fango digerido con un 5% de concentración en peso. El fango digerido, ya estabilizado, puede ser utilizado en aplicaciones agrícolas como fertilizante (compost), una vez esté deshidratado. En el proceso de deshidratación, normalmente mediante filtración o centrifugación, se consigue concentrar hasta alrededor de un 25-35% de sequedad. La fracción líquida obtenida en la deshidratación deberá ser tratada correctamente, puesto que su carga, sobretodo en nitrógeno y fósforo, es elevada. Una alternativa es tratar esta corriente mediante un proceso biológico de depuración, el cual necesitará de la adición de una fuente de carbono externa para permitir el crecimiento de la biomasa. Otra opción, aún más sostenible, consiste en concentrar la fracción líquida de la deshidratación mediante un proceso de evaporación al vacío, aprovechando la energía térmica residual producida en la transformación del biogás en electricidad (cogeneración). El biogás suele ser utilizado para producir electricidad mediante motores de combustión o bien microturbinas.

En ambos casos, fruto de la producción de la energía eléctrica, se produce un calor residual que es necesario eliminar. Este calor puede ser utilizado eficientemente para precalentar el sustrato de entrada al digestor y así mantener éste trabajando constantemente a la temperatura óptima de operación (36 ºC en la digestión anaerobia mesofílica y entre 45 ºC y 65 ºC en el caso de la termofílica) a la vez que para evaporar el agua de la fracción líquida de la deshidratación. Como resultado de esta evaporación-concentración se obtiene un residuo prácticamente seco, con una reducción en peso en torno al 75%, y una corriente de agua de gran pureza.

Así pues, la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos puede ser revalorizada mediante una planta de biometanización, sostenible y energéticamente autosuficiente. Esta planta puede ser diseñada y explotada de manera que transforme la FORSU en compost, el cual tiene salida en aplicaciones agrícolas, energía eléctrica, apta para ser vendida a la red general eléctrica, y agua de elevada pureza.

Biometanización de RSU

Filtros de carbón activado para plantas termosolares

CSP Solana (Arizona) y CSP Mojave (California) son las dos plantas termosolares más grandes del mundo a día de hoy. Ambas tienen una capacidad de 280 MW y previenen la emisión de más de 430 toneladas de CO2 cada año.

Condorchem Envitech ha diseñado e instalado los filtros de carbon activado que ambas plantas utilizan para tratar las emisiones que se generan en los venteos de su sistema de ullage.

Los filtros de carbón activado fueron la tecnología escogida, ya que es la que consideramos más eficiente para tratar este tipo de emisiones. Gracias a su instalación se evita la emisión de gases que serían muy perjudiciales para la salud humana.

Podéis encontrar más información en este artículo sobre el tratamiento de emisiones en centrales termosolares, o en la página de filtros de carbón activado de nuestra web.

Tratamiento del alperujo

Tratamiento del alperujo - Aguas residuales del aceite de oliva

Tratamiento del alperujo – Aguas residuales del aceite de oliva

España es el principal productor y exportador mundial de aceite de oliva, con una superficie dedicada a la oliva de 2,5 millones de hectáreas aproximadamente. Lo que representa más de la mitad de la producción de la UE y el 40% de la mundial. Por lo que el sector oleícola confiere un enorme patrimonio económico, cultural y ambiental al país. Por consiguiente, mejorar el tratamiento de los residuos obtenidos tras la producción del aceite de oliva y tratar de valorizarlos es crucial para mejorar la competitividad y rentabilidad del sector. Es de gran importancia llevar a cabo una correcta depuración una vez obtenido el aceite de oliva, ya que en España se generan más de un millón de metros cúbicos de aguas residuales procedentes de almazaras cada año.

El proceso de producción acostumbra a seguir la siguiente secuencia:

  1. Molienda
  2. Batido
  3. Centrifugación horizontal
  4. Centrifugación vertical
  5. Almacenamiento y envasado

Una vez el fruto ha sido recolectado y transportado, comienza el proceso productivo en las almazaras. Actualmente, existen dos sistemas de producción: el sistema tradicional, o de tres fases, que produce tres tipos de producto además del aceite: alpechín, orujo y agua residual. Y el sistema de dos fases, que aparte del aceite genera agua residual y alperujo (mezcla de orujo y alpechín). Este nuevo sistema de dos fases es más eficiente, genera menos residuos y consume menos agua, por lo que genera menos cantidad de aguas residuales.

El sistema de dos fases genera dos tipos de residuos: aguas residuales y alperujo. Las aguas residuales de los procesos de lavado y centrifuga vertical, de la limpieza de los tanques, tolvas y otros elementos. Este residuo no cumple la normativa para ser vertido a cauce público, ni se puede utilizar para riego por su alta carga contaminante. Tradicionalmente este residuo se ha ido almacenado en balsas sin ser tratado, lo que genera graves problemas para el sector, ya que es necesario ir aumentando la superficie ocupada, genera malos olores, desbordamientos, sanciones, paralización de la actividad, plagas de insectos, etc.

El agua residual generada por la actividad de las almazaras, comúnmente conocida como alpechín, contiene una gran variedad de residuos como: polvo, tierra, aceites y grasas, azúcares, sustancias nitrogenadas, ácidos orgánicos, polialcoholes, polifenoles, etc. Los polifenoles representan un gran problema debido a que inhiben la actividad bacteriana en el suelo. Por esta razón, esta agua tiene que ser tratada para poder ser reutilizada para riego. El tratamiento para eliminar este contaminante consta de una depuración físico-química debido al poder inhibidor que poseen sobre los procesos microbiológicos.

Estas aguas residuales, o alpechín, antes de ser tratadas, se caracterizan por su color oscuro y su fuerte olor. Poseen un grado elevado de contaminación orgánica con una relación de DQO/DBO5 entre 2,5 y 5, un alto contenido en polifenoles y materia solida. El pH es ligeramente ácido, de fácil fermentación, alta conductividad eléctrica y contienen grasas emulsionantes. Existen varias técnicas para tratar las aguas residuales procedentes de las almazaras con el fin de que esta cumpla los estándares legales: métodos físico-químicos (coagulación-floculación, oxidación y procesos electroquímicos), tratamientos biológicos (fangos activados, tratamientos anaerobios, procesos basados en reactores biológicos de membranas). Cada método tiene sus ventajas e inconvenientes en cuanto a costes y efectividad, por lo que lo habitual es la combinación de varias soluciones tecnológicas.

Como hemos comentado anteriormente, una vez estas aguas residuales ya han sido tratadas pueden ser reutilizadas para riego u otros usos como la refrigeración de calderas y la recarga de acuíferos. De hecho esta es una práctica recomendada por las administraciones públicas y organismos internacionales. Sin embargo, estas aguas tratadas deben someterse a unos controles de uso y calidad con tal de ser usados como un recurso hídrico seguro para la salud y el medioambiente.

El tratamiento del alperujo también es de extrema importancia, ya que su vertido incontrolado provoca problemas de coloración de las aguas, supone una amenaza para la biodiversidad acuática, deterioro del suelo, fitotoxicidad y olores. Por otro lado las orujeras se han adaptado a la recepción de este producto del cual pueden extraer aceite de orujo de oliva a partir de un proceso físico o químico. Después de la obtención del orujo, se pueden obtener subproductos derivados del alperujo. Tras un proceso de cogeneración energética o compostaje, para la producción de biomasa, para la producción de PHB para la fabricación de bioplásticos, producción de encimas y pectinas, producción de colorantes y antioxidantes, para la producción de expolisacáridos de interés comercial para la industria alimentaria y cosmética y, también, como fertilizante agrícola.

Por lo tanto, el alperujo es un producto altamente contaminante, pero que puede ser aprovechado como combustible por un lado (una vez extraído el aceite residual) y puede utilizarse para fabricar compost por el otro. Esta última opción es ideal para las almazaras que están alejadas de las plantas de tratamiento de orujo. De esta forma se usa como recurso lo que en principio era un residuo. Al mezclar el alperujo con hojas de aceituna y estiércol se obtiene un compost de excelente calidad.

Para que la materia orgánica se convierta en compost tiene que producirse una fermentación aerobia. La calidad del producto dependerá de los siguientes parámetros: relación entre carbono y nitrógeno (de 25/1 a 45/1), la humedad de la materia inicial (de un 30% a un 80%), el pH (no hay que preocuparse si la relación C/N es adecuada), la oxigenación y la temperatura.

…mejorar el tratamiento de los residuos obtenidos tras la producción del aceite de oliva y tratar de valorizarlos es crucial para mejorar la competitividad y rentabilidad del sector