Recuperación de metano disuelto en el efluente de un reactor anaerobio de lecho expandido mediante contactores de membranas

Resumen

La emisión de gases de efecto invernadero (GEI) a la atmósfera supone uno de los problemas medioambientales más importantes en la actualidad, debido a su relación con el calentamiento global y el cambio climático. En este sentido, uno de los GEI más relevantes es el metano, con un potencial de calentamiento global 28 veces superior al del dióxido de carbono. El sector del tratamiento de aguas residuales contribuye a las emisiones de metano, siendo de especial relevancia los tratamientos anaerobios que se llevan a cabo a temperatura ambiente. En estos sistemas, una parte del metano generado puede encontrarse disuelto en el efluente del proceso, debido al aumento de la solubilidad del metano a temperaturas bajas. La desgasificación controlada del metano de los efluentes de los tratamientos anaerobios tiene una gran importancia, no sólo por los efectos negativos sobre el medio ambiente de las emisiones difusas y su contribución al cambio climático, sino por la recuperación de una potencial fuente de energía. Los métodos convencionales de desgasificación como las torres de relleno o de platos presentan algunos inconvenientes debido al contacto directo entre la fase líquida y gas, como emulsiones, formación de espumas, anegamientos, etc. En este sentido, la tecnología de los contactores de membrana surge como alternativa para los procesos de desgasificación de corrientes líquidas. En este trabajo de tesis doctoral se aborda el estudio de la recuperación de metano disuelto en el efluente de un reactor anaerobio mediante contactores de membranas de fibras huecas. Los resultados obtenidos sirven como punto de partida para la evaluación de la implantación de esta tecnología en los sistemas de tratamientos anaerobios de aguas. Para realizar este estudio se tomó como efluente problema la corriente de recirculación de un reactor anaerobio de lecho expandido de laboratorio, con una concentración sobresaturada de metano disuelto. Tras la puesta en marcha y operación a alta carga del reactor, y después de evaluar el funcionamiento estable del mismo, se conectaron alternativamente dos contactores de membranas de fibras huecas de polidimetilsiloxano (PDMS) y de polipropileno (PP) a la corriente de recirculación de reactor. Los contactores de membrana utilizados para aplicaciones de desgasificación pueden trabajar principalmente en dos modos de operación: a vacío y con gas de arrastre (en este caso nitrógeno). Para estudiar ambos modos de operación, se evaluó la influencia de diferentes parámetros operacionales en la eficacia de eliminación de metano disuelto con los contactores de PDMS y PP: caudal de líquido, caudal de nitrógeno, presión de vacío y configuración del líquido en el contactor. Se observó una disminución de la eficacia de eliminación con el aumento del caudal de líquido tratado y con la disminución de la presión de vacío aplicada. Las eficacias máximas de eliminación de metano en el modo de operación a vacío resultaron de 77 % y 93 % para los contactores de PDMS y PP respectivamente, a un caudal de líquido de 0.36 L h-1 para el contactor de PDMS y de 4.07 L h-1 para el de PP, a una presión de vacío de 800 mbar. En el modo de operación con gas de arrastre, no se observaron variaciones significativas en la eficacia de eliminación cuando se modificó el caudal de nitrógeno. Se obtuvo una eficacia de eliminación máxima del 74 % con el contactor de PDMS con un caudal de líquido de 0.36 L h-1 y de nitrógeno de 27 L h-1; mientras que con el contactor de PP se alcanzó un 98 % con un caudal de 4.07 L h-1 y un caudal de nitrógeno de 800 L h-1. El contactor de PP mostró mayores eficacias de eliminación que el de PDMS en general, salvo en los experimentos realizados a vacío y a caudales de líquido superiores a 13.56 L h-1, en los que el contactor de PP experimentó un descenso brusco en su eficacia de eliminación, atribuido al fenómeno de mojado de los poros. Las operaciones a vacío y con nitrógeno como gas de arrastre mostraron eficacias de eliminación muy similares con el contactor de PDMS. Sin embargo, para el contactor de PP fue más eficiente la eliminación de metano disuelto con la operación con gas de arrastre. Para ambos modos de operación, se evaluó la influencia sobre la eficacia de eliminación de la configuración del líquido en el contactor (por el interior o por el exterior de las fibras). La configuración con el líquido por el interior de las fibras fue siempre más eficaz, debido probablemente a la menor velocidad del líquido por la carcasa y a la aparición del fenómeno de canalización o bypass. Se llevó a cabo un estudio básico de la recuperación energética derivada de la utilización del metano recuperado en los ensayos de laboratorio de la operación a vacío, obteniéndose una energía recuperada positiva a todas las presiones de vacío ensayadas, tanto con el contactor de PDMS como con el de PP. Además, se calcularon las emisiones difusas de metano evitadas a partir de los resultados de laboratorio, obteniéndose un valor de hasta 1128 kg de CO2 equivalente por cada 1000 m3 de agua tratada. El estudio de la transferencia de materia en los contactores de membrana resulta de gran importancia para poder llevar a cabo un adecuado dimensionado y funcionamiento de los mismos. En este trabajo se realizó tanto la obtención de los coeficientes de transferencia de materia experimentales de los ensayos realizados, como la estimación de los coeficientes de transferencia de materia a partir de correlaciones bibliográficas. Se pudo observar un aumento de los coeficientes de transferencia de materia experimentales con la presión de vacío aplicada, con el caudal de líquido tratado y con el caudal de nitrógeno utilizado. Se corroboró el fenómeno de mojado de los poros de la membrana de PP al observarse un brusco descenso del coeficiente de transferencia experimental a caudales intermedios. Con la estimación de los coeficientes de transferencia de materia con correlaciones, se pudo comprobar que la resistencia a la transferencia de materia predominante en estos sistemas es la de la fase líquida, siendo la de la fase gas despreciable, y la de la membrana especialmente significativa en el caso de mojado de los poros de la membrana de PP. El fenómeno de sobresaturación de metano tuvo un efecto positivo sobre la transferencia de materia, resultando en valores de la resistencia experimental inferiores a los estimados con las correlaciones, especialmente evidente en los experimentos a vacío con la membrana de PDMS. Se ha estimado un factor de intensificación de la transferencia de materia (E) debido a la sobresaturación, asociado a la resistencia de la fase líquida, resultando en un valor de 1.6 para la operación a 500 mbar. El ensuciamiento de los contactores de membrana es uno de los inconvenientes más comunes de la utilización de la tecnología de membranas, y requiere de un estudio individualizado para poder adaptar las estrategias de lavado a cada caso particular. El trabajo presentado en esta tesis representa el primer estudio sistemático del efecto de la operación a largo plazo de los contactores de membrana sobre la eficacia de eliminación de metano disuelto, y el primer intento de establecer un protocolo de operación de estos sistemas. Durante los experimentos de corta duración de los contactores, se realizaron lavados diarios con agua desionizada que permitieron el funcionamiento estable de los módulos durante 5220 h de operación (2970 h con el líquido por el interior de las fibras y 2250 h por la carcasa) con el contactor de PDMS y de 5130 h (3510 h con el líquido por las fibras y 1620 h por la carcasa) con el de PP, sin observar pérdida de la eficacia de eliminación. Sin embargo, en la operación en continuo sin lavados intermedios, fue indispensable el lavado químico de los módulos para recuperar la eficacia de eliminación inicial. El tiempo de funcionamiento en continuo con el líquido por las fibras sin presencia de ensuciamiento para el contactor de PP fue de 200 horas, superior a las 120 horas obtenidas para el contactor de PDMS. El ensuciamiento con el líquido circulando por la carcasa fue más rápido que por el interior de las fibras, debido probablemente a la menor velocidad de circulación. A la vista de los resultados, se propone una estrategia de lavado consistente en un retrolavado con agua cada 24 horas de operación, tratando de evitar los lavados químicos con el fin de minimizar el consumo de reactivos y el potencial deterioro de las membranas. En el marco de una futura ampliación del estudio presentado en esta tesis doctoral a escala piloto, se procedió al dimensionado de un sistema de membranas de PP acoplable al prototipo industrial de biolavador anaerobio desarrollado y operado por el grupo de investigación en el que se enmarca esta tesis doctoral (GI2AM) y por la empresa Pure Air Solutions. Además, se realizó un análisis de costes de la implantación de este sistema de membranas. Para el tratamiento de 3 m3 h-1 de efluente anaerobio, este análisis resultó en una inversión de 14723 € y unos costes operacionales de 7333 € año-1.