ES2367731B1 - Procedimiento para la disminución de la concentración de dióxido de carbono en biogas. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para la disminución de la concentración de dióxido de carbono en biogás.#Procedimiento para la producción anaeróbica de metano, en un digestor anaeróbico caracterizado porque entre un 5 y un 30 % en volumen del biogás producido es burbujeado al efluente del digestor que comprende al menos las siguientes etapas: derivación de parte del biogás producido desde el lugar de almacenamiento del mismo o desde la salida del digestor; almacenamiento del afluente al digestor en un depósito de capacidad igual al caudal de alimentación diario al digestor en el caso de alimentación intermitente o a un volumen para una capacidad determinada por un tiempo de residencia preferiblemente entre 1-3 horas; burbujeo del biogás en el seno del afluente del digestor mediante un distribuidor, preferiblemente hasta que el pH es inferior a 7,5; y captación del biogás burbujeado y su reintegro a la corriente principal de biogás después de reducir la concentración de H{sub,2}S.
Description
Procedimiento para la disminución de la concentración de dióxido de carbono en biogás.
La presente invención se refiere a un proceso para la disminución del dióxido de carbono del biogás y mejorar la eficiencia de la digestión anaerobia. Por lo tanto la invención pertenece al sector de la técnica de procesos de depuración/regeneración de aguas residuales, producción de energía renovable y disminución de gases de efecto invernadero.
Estado de la técnica anterior
Existe muy poca información acerca de la utilización del dióxido de carbono en la digestión anaerobia.
El 30-40% del biogás que se produce durante la digestión anaerobia esta constituido por dióxido de carbono. Además cerca del 30% del metano se basa en la acción de bacterias autotróficas anaerobias estrictas que transforman el dióxido de carbono y el hidrógeno en metano.
El protocolo de Kyoto ha establecido que las emisiones de gases de efecto invernadero deben reducirse a partir de 2008 en un 6%. Se ha establecido un sistema de comercialización par alas emisiones de dióxido de carbono que sitúan el precio de la tonelada de dióxido de carbono en 11-19 e (Greefield and Batstone, 2005). Teniendo en cuenta la importancia que para la digestión anaerobia tiene el dióxido de carbono, se han sugerido diversas aplicaciones para el mismo.
Ghafari et al., 2009 estudiaron la utilización del dióxido de carbono y el bicarbonato durante la aclimatación de bacterias desnitrificantes autohidrogenotróficas y el hidrógeno como donador de electrones. La naturaleza pHreductora del dióxido de hidrógeno, mostró un impacto desfavorable en la velocidad de desnitrificación sin embargo el bicarbonato favoreció el proceso dándole una mayor capacidad buffer, lográndose un pH entre 7,0-8,2. Lei et al, 2007 utilizaron el dióxido de carbono presente en el biogás para disminuir del pH del efluente de digestión anaerobia cuyo pH fue elevado a 11 para lograr el despojamiento del amoniaco. La aplicación del biogás al efluente a pH alrededor de 11 disminuyó en 43 minutos el pH a 7, lográndose un aumento de la concentración de metano en el biogás de 60% a 74%. Kim et al., 2006 estudiaron el burbujeo de dióxido de carbono en la producción continua de hidrógeno. Los mejores resultados se obtuvieron a un flujo de dióxido de carbono de 300 ml/min. Gangagni-Rao et al., 2007 estudiaron la aplicación del biogás para la acidificación de residual de cervecería antes de la digestión anaerobia en un reactor de flujo ascendente y manto de lodos. Los autores argumentan las ventajas económicas de la utilización del biogás como agente acidificante del residual de cervecería. En la WO2008002538 A2 se describe un procedimiento para el burbujeo del dióxido de carbono procedente de máquinas de combustión de hidrocarburos para incrementar la producción de biogás y reducir las emisiones de dióxido de carbono a la atmósfera.
Descripción de la invención
En vista del estado de la técnica considerado, es un objeto de la presente invención proporcionar un procedimiento para la producción de biogás que reduce entre un 10-20% las emisiones de dióxido de carbono a la atmósfera. Además, el proceso de la invención permite aumentar la producción de metano en un 9-15%, siendo la eficiencia del 10-15% superior a los del estado de la técnica. Al aumentar la eficiencia y la remoción de materia orgánica, preferiblemente el proceso está asociado a una mejora en la calidad del medio ambiente y en reducción del impacto medio ambiental de los desechos industriales de biogás.
Por consiguiente, un primer aspecto de la presente invención es un procedimiento para la producción anaeróbica de metano, en un digestor anaeróbico caracterizado porque entre un 5 y un 30% en volumen del biogás producido es burbujeado al afluente del digestor que comprende al menos las siguientes etapas:
a) Derivación de parte del biogás producido desde el lugar de almacenamiento del mismo o desde la salida del digestor;
b) Almacenamiento del afluente al digestor en un depósito de capacidad igual al caudal de alimentación diario al digestor en el caso de alimentación intermitente o a un volumen para una capacidad determinada por un tiempo de residencia hidráulico preferiblemente entre 1-3 horas;
c) Burbujeo del biogás en el seno del afluente del digestor mediante un distribuidor, preferiblemente hasta que el pH es inferior a 7,5;
d) Captación del biogás burbujeado y su reintegro a la corriente principal de biogás después de reducir la concentración de H2S.
El burbujeo del biogás a la alimentación del digestor provoca una disminución considerable de la concentración de H2S en la misma, con lo cual se ha aumentado la eficiencia del proceso. Normalmente la invención conlleva una reducción de la producción de H2S entre 5-10% en el proceso de digestión anaerobia.
Como consecuencia del pretratamiento efectuado la eficiencia del proceso se puede llegar a incrementar en 4-10% en DQO; en 8-12% en sólidos totales y en 9-13% en sólidos volátiles. En cuanto a la producción de gas metano, se producen incrementos en oscilan del orden de 9-10%.
En una realización preferente el volumen de biogás derivado en la etapa (a) está entre el 10% y el 30%. Más preferiblemente entre el 20 y el 30% del biogás producido en el digestor anaerobio, es utilizado para burbujearse al afluente del digestor que se encuentra confinado en un depósito herméticamente cerrado que contiene un volumen equivalente al volumen de un día alimentado. El biogás puede ser bombeado a razón de 1-3 Vol. Biogás/Vol. de Afluente por hora durante un periodo de 1-3 horas durante el cual el pH desciende normalmente a un valor cercanoa7(ver Figura 1). El burbujeo se puede efectuar mediante un distribuidor sumergido en el seno del afluente al digestor.
El biogás después del burbujeo puede contener una concentración de CO2 entre 10-20% más baja y una concentración de H2S tres veces superior, es decir desde 200-300 ppm a 500-600 ppm. Este se reintegra al depósito de almacenamiento de biogás después de que el H2S sea removido mediante el procedimiento establecido. El biogás utilizado en el burbujeo puede ser extraído directamente del digestor o desde el depósito empleado para almacenamiento del biogás.
Preferiblemente en el procedimiento el volumen del almacenamiento del afluente del digestor en la etapa (b) está determinado por el tiempo de retención hidráulico del proceso, dado por la relación entre el volumen del digestor y el tiempo de retención hidráulico: V/TRH, donde V es el volumen útil del digestor y TRH es el tiempo de retención hidráulico en días.
En la etapa (c) preferiblemente se burbujea entre 1 y 3 volúmenes de biogás/volumen de afluente por hora durante un período inferior a 3 horas. Más preferiblemente se burbujea el biogás necesario hasta que el pH es inferior a 7,5, preferiblemente entre 6,7 y 7,1. Una vez que el pH del afluente haya descendido al valor deseado se alimenta al digestor ese afluente según el tiempo de retención hidráulico seleccionado.
En la etapa (d) se puede captar el biogás mediante un tanque de afluente o tanque de burbujeo el cual está conectado a un sistema para la reducción y/o eliminación de H2S presente en el gas.
Aunque el proceso se puede utilizar para la descomposición anaeróbicamente de cualquier biomasa en general, preferiblemente esta biomasa son aguas residuales y/o residuos con pH entre 7-8, como son los residuos de las lecherías.
Preferiblemente en el procedimiento de la invención la digestión anaerobia se realiza en forma de doble fase, donde la primera es una fase acidogénica y la segunda es una fase metanogénica.
Una realización particular de la presente invención esta basada en la utilización de parte del biogás producido en el proceso de digestión anaerobia de residuos de lechería previamente tamizados. El licor ya tamizado a un pH entre 7,5-8,0 es sometido a burbujeo de biogás durante un período de tiempo entre 1-3 horas con lo cual se logra una disminución del pH hasta valores cercanos a 7. Este burbujeo se efectúa mediante una bomba que distribuye el biogás en el seno del licor tamizado mediante un difusor, a razón de 1-3 V de Biogás/V de licor hora. El biogás que sale del proceso se incorpora nuevamente a la corriente principal de biogás en dirección a un equipo donde se elimina el sulfuro de hidrógeno y posteriormente es almacenado para su uso. El biogás requerido para el burbujeo de la alimentación del digestor se puede extraer directamente del digestor o de donde se almacena el biogás. Una bomba o compresor, se encarga de suministrar el biogás necesario ara reducir el pH del afluente al valor deseado. El biogás burbujeado al afluente de la digestión anaerobia almacenado en un depósito hermético sale con una concentración de CO2 entre 10-20% mas baja y arrastra parte del H2S disuelto en el afluente con lo cual el proceso de digestión anaerobia es favorecido. El biogás del digestor incrementa la producción de metano en un 10-20% y disminuye la concentración en sulfuro de hidrógeno en 5-10%.
Definiciones
Por el término biogás en el contexto de la presente invención se entiende como el gas generado durante el proceso de digestión anaeróbica de la materia orgánica compuesto normalmente por: ∼70% de metano (CH4); ∼30% de dióxido de carbono (CO2); y trazas de sulfuro de hidrógeno (H2S).
- C:
- carbono.
- H:
- hidrógeno.
- S:
- azufre.
DQO: Demanda Química de Oxígeno (g/L).
N: Nitrógeno (g/L).
N-NH4: Nitrógeno Amoniacal (g/l).
NTK: Nitrógeno Total Kjeldhal (g/l).
ppm: Partes por millón.
PO3 −3: Ortofosfato (g/L).
SV: Sólidos Volátiles (g/L).
ST: Sólidos Totales (g/L).
Descripción de las figuras
Figura 1. Curva de variación de pH con el tiempo para un caudal de 1-3 Vol. de biogás/Vol. de afluente hora.
Figura 2. Vista de la instalación de burbujeo de biogás a escala de banco.
Figura 3. Vista de los digestores a escala de banco.
Figura 4. Esquema del procedimiento.
Ejemplos
Ejemplo 1
Para un digestor de residuos de vaquería, con un volumen de digestor de 500 m3 de volumen, que opera a un tiempo de retención hidráulico de 20 días, se alimentan diariamente 25 m3 de residuos con las siguientes características:
La cantidad de materia orgánica a procesar, será de 1090 kg/d. En un sistema convencional con la introducción del burbujeo de biogás, la producción de biogás se vería incrementada en 10-15 m3/d o de 3 650-5 475 m3/año lo que equivaldría a 2,4-3,6 ton de petróleo equivalente adicionales. Por otra parte las emisiones de CO2 se verían reducidas en 3 285 m3/año o sea entre 5-7 ton/año.
La cantidad de biogás a burbujear, sería de 25-75 m3/h durante 1-3 horas, lo que sería entre el 11% y el 34% del biogás generado.
Ejemplo 2
Para un digestor de residuos municipales de una población de 50000 habitantes equivalentes. Se emplearía un digestor convencional de 4000 m3 de volumen que procesaría unos 120 m3/d de lodo con las características siguientes:
- DQO:
- 28,3 kg/m3 .
- ST:
- 3,21%.
- SV/ST:
- 87,2%.
Estos lodos generarían 1300 m3/d de biogás con 65% de metano (845 m3/d). La aplicación de este procedimiento implicaría un incremento de 84,5 m3/d de metano o 30842 m3/año equivalentes a 20,6 ton/año de petróleo y una reducción de las emisiones de CO2 de 38 ton/año.
La cantidad de biogás necesaria para el burbujeo del afluente sería de 360 m3/d para un burbujeo durante 3 horas del afluente. Con lo cual se conseguiría una reducción del pH de 7,8 a cerca de 7,0.
Claims (9)
- REIVINDICACIONES1. Un procedimiento para la producción anaeróbica de metano, en un digestor anaeróbico caracterizado porque entre un5yun30% en volumen del biogás producido es burbujeado al efluente del digestor que comprende al menos las siguientes etapas:a) Derivación de parte del biogás producido desde el lugar de almacenamiento del mismo o desde la salida del digestor;b) Almacenamiento del afluente al digestor en un depósito de capacidad igual al caudal de alimentación diario al digestor en el caso de alimentación intermitente o a un volumen para una capacidad determinada por un tiempo de residencia preferiblemente entre 1-3 horas;c) Burbujeo del biogás en el seno del afluente del digestor mediante un distribuidor, preferiblemente hasta que el pH es inferior a 7,5;d) Captación del biogás burbujeado y su reintegro a la corriente principal de biogás después de reducir la concentración de H2S.
-
- 2.
- El procedimiento según la reivindicación anterior caracterizado porque el volumen de biogás derivado en la etapa (a) está entre el 10% y el 30%.
-
- 3.
- El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado porque el volumen del almacenamiento del afluente del digestor en la etapa (b) está determinado por el tiempo de retención hidráulica del proceso.
-
- 4.
- El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la etapa (c) se burbujea entre 1-3 volúmenes de biogás/volumen de afluente por hora durante un período inferior a 3 horas.
-
- 5.
- El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en la etapa (c) se burbujea biogás hasta que el pH es inferior a 7,5, preferiblemente entre 6,7 y 7,1.
-
- 6.
- El procedimiento según la reivindicación anterior, caracterizado porque en la etapa (d) se capta el biogás mediante un tanque de afluente o tanque de burbujeo el cual está conectado a un sistema para la reducción y/o eliminación de H2S presente en el gas.
-
- 7.
- El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la biomasa que se descompone a anaeróbicamente son aguas residuales y/o residuos con pH entre 7-8.
-
- 8.
- El procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque es un proceso de digestión de doble fase donde la primera es una fase acidogénica y la segunda es una fase metanogénica.
OFICINA ESPAÑOLA DE PATENTES Y MARCASN.º solicitud: 201030596ESPAÑAFecha de presentación de la solicitud: 23.04.2010Fecha de prioridad:INFORME SOBRE EL ESTADO DE LA TECNICA51 Int. Cl. : C02F3/28 (2006.01)DOCUMENTOS RELEVANTES- Categoría
- Documentos citados Reivindicaciones afectadas
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- US 4022665 A (INST GAS TECHNOLOGY) 10.05.1977, figura 1; columna 2, líneas 20-62; columna 3, líneas 1-5; columna 4, líneas 30-50; columna 5, líneas 10-15,49-60; columna 6, líneas 65-70. 1-8
- A
- US 4604206 A (ENVIREX) 05.08.1986, columna 1 – columna 2 línea 30; columnas 4-6. 1-8
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- US 6299774 A (AINSWORTH JACK L et al.) 09.10.2001, columnas 6-7; figura 2. 1-8
- A
- US 4354936 A (AGENCY IND SCIENCE TECHN) 19.10.1982, columnas 3-4; reivindicación 1; figura 1. 1-8
- A
- WO 9119682 A1 (BIODYNAMIC SYSTEMS INC) 26.12.1991, páginas 4-6. 1-8
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- El presente informe ha sido realizado • para todas las reivindicaciones • para las reivindicaciones nº:
- Fecha de realización del informe 31.03.2011
- Examinador A. Urrecha Espluga Página 1/4
INFORME DEL ESTADO DE LA TÉCNICANº de solicitud: 201030596Documentación mínima buscada (sistema de clasificación seguido de los símbolos de clasificación) C02F Bases de datos electrónicas consultadas durante la búsqueda (nombre de la base de datos y, si es posible, términos debúsqueda utilizados) INVENES, EPODOC, WPI, NPL, XPESP, TXTUS.Informe del Estado de la Técnica Página 2/4OPINIÓN ESCRITANº de solicitud: 201030596Fecha de Realización de la Opinión Escrita: 31.03.2011Declaración- Novedad (Art. 6.1 LP 11/1986)
- Reivindicaciones Reivindicaciones 1-8 SI NO
- Actividad inventiva (Art. 8.1 LP11/1986)
- Reivindicaciones Reivindicaciones 1-8 SI NO
Se considera que la solicitud cumple con el requisito de aplicación industrial. Este requisito fue evaluado durante la fase de examen formal y técnico de la solicitud (Artículo 31.2 Ley 11/1986).Base de la Opinión.-La presente opinión se ha realizado sobre la base de la solicitud de patente tal y como se publica.Informe del Estado de la Técnica Página 3/4OPINIÓN ESCRITANº de solicitud: 2010305961. Documentos considerados.-A continuación se relacionan los documentos pertenecientes al estado de la técnica tomados en consideración para la realización de esta opinión.- Documento
- Número Publicación o Identificación Fecha Publicación
- D01
- US 4022665 A (INST GAS TECHNOLOGY) 10.05.1977
- D02
- US 4604206 A (ENVIREX) 05.08.1986
- D03
- US 6299774 A (AINSWORTH JACK L et al.) 09.10.2001
- 2. Declaración motivada según los artículos 29.6 y 29.7 del Reglamento de ejecución de la Ley 11/1986, de 20 de marzo, de Patentes sobre la novedad y la actividad inventiva; citas y explicaciones en apoyo de esta declaraciónEl objeto de la invención es un procedimiento para la producción anaeróbica de metano en un digestor anaeróbico.El documento D01 divulga un procedimiento de digestión anaeróbica de doble fase, con una primera fase acidogénica y segunda metanogénica, en el que el gas obtenido se trata para separar el CO2 del metano, de manera que el CO2 se recircula y burbujea a la etapa metanogénica para agitar y favorecer las formación de metano de manera que se se disminuya la concentración de CO2 en el biogás producto. En todo momento el pH se mantiene por debajo de 7.5 (en la etapa acidogénica entre 5-6, y en la metanogénica entre 6.8-7.4) (figura 1; columna 2 líneas 20-62, columna 3 líneas 1-5, columna 4 líneas 30-50, columna 5 líneas 10-15, 49-60; columna 6 líneas 65-70).El documento D02 divulga un procedimiento de digestión anaeróbica en dos fases en el que se recircula el CO2 obtenido para ajustar el pH y agitar la mezcla (columna 1-columna 2 línea 30; columnas 4-6).El documento D03 señala que la producción de metano por digestión anaerobia se ve favorecida por la recirculación del gas obtenido (del que se ha retirado parte del metano, y por tanto es rico en CO2) al digestor (columna 7, líneas 22-51, figura 2) . El objeto técnico de la reivindicación 1 de la solicitud difiere de lo divulgado en el documento D01 en que la recirculación del gas obtenido se realiza al afluente en vez de al digestor en el que tiene lugar la metanogénesis. Sin embargo, esta diferencia es una mera opción de diseño, y el hecho de recircular el CO2 obtenido para aumentar la producción de metano es ampliamente conocida en el estado de la técnica.Por otro lado, la necesidad de controlar el pH de la alimentación en los procesos de digestión anaerobia, la utilización del CO2 obtenido con dicho propósito y la necesidad de someter al gas producto a procesos de desulfuración son aspectos técnicos que, en la producción anaeróbica de metano, son sobradamente conocidos en el estado de la técnica (D02, columnas 1-2,4-6; D03, columnas 6-7 figura 2; D04, columnas 3-4, figura1; D05, páginas 4-6).Se considera, por tanto, que el objeto técnico de la reivindicación 1 es una mera yuxtaposición de elementos conocidos y carece de actividad inventiva. Respecto a las reivindicaciones dependientes 2-8 se puede afirmar que no contienen ninguna característica que, en combinación con las características de las reivindicaciones de las que dependen, cumplan las exigencias de actividad inventiva a la luz de lo divulgado en el estado de la técnica (Art. 8 LP).Informe del Estado de la Técnica Página 4/4
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