Desulfuración de biogás con nitrificación simultánea de efluentes con alto contenido en amonio

Resumen

La desulfuración del biogás es necesaria para permitir su revalorización, siendo su aplicación más usual la combustión en motores de cogeneración para obtener electricidad y calor. La desulfuración del biogás se ha realizado tradicionalmente a través de procesos físico-químicos; aunque en los últimos años, los procesos biológicos están ganando terreno dado los avances realizados en estos procesos, los cuales han permitido aumentar su rendimiento y disminuir los costes de operación. Los procesos biológicos de desulfuración de biogás pueden ser aerobios o anóxicos. La desulfuración aerobia usualmente toma el oxígeno del aire, por lo que se trata de una fuente barata; no obstante, la baja solubilidad del oxígeno en agua incrementa los costes de operación, hace que se diluya la concentración de metano y, a su vez, se corre el riesgo de alcanzar mezclas explosivas. Respecto a la desulfuración anóxica, el aceptor de electrones es el nitrato y/o nitrito, por lo que se evitan los principales inconvenientes de los procesos aerobios; aunque en caso de provenir de una fuente química, los costes de operación son relativamente altos. En la presente Tesis Doctoral se ha estudiado un proceso de dos etapas: En la primera, se lleva a cabo la nitrificación de un líquido rico en amonio en un biorreactor de tipo tanque agitado y, en la segunda, se realiza la eliminación simultánea del sulfuro de hidrógeno del biogás y del nitrato/nitrito resultante de la nitrificación en un biofiltro percolador anóxico. Se estudió el efecto de las principales variables de la operación del biofiltro percolador anóxico a escala de laboratorio, el cual se construyó con una alta relación altura:diámetro (9,8) y se alimentó con nitrato comercial. De este modo, se encontró que esta alta relación altura:diámetro mejoró el proceso de desulfuración anóxica, siendo los principales resultados los siguientes: para una concentración de sulfuro de hidrógeno de 2.000 ppmV, se consiguió un alto porcentaje de eliminación (97,2%) a un tiempo de residencia de 32 s; las capacidades de eliminación crítica y máxima fueron de 250,5 y 287,0 gS-H2S m-3 h-1, respectivamente; fue posible alcanzar elevadas producciones de azufre elemental (82,0-99,1%) para ratios nitrógeno:azufre de 0,34- 0,41 mol N-NO3- mol-1 S-H2S; y se encontró un mejor aprovechamiento del nitrato operando en el sistema en modo de flujo en paralelo (consumo de nitrato del 95,7- 100%) respecto al modo de flujo en contracorriente (consumo de nitrato del 87,4-96,4%). Tas la optimización, el biofiltro percolador fue acoplado a un biorreactor de tipo “tanque agitado de nitrificación”, con la finalidad de comprobar si el nitrato/nitrito generado en el biorreactor tenía algún efecto en la operación del biofiltro. El sistema operó durante 41 días a una carga de alimentación de 115,2 gS-H2S m-3 h-1, sin observar ningún efecto negativo. Con el fin de reducir los costes económicos, se sustituyó el medio mineral (sintético) por un fertilizante NPK (dilución 1:400). Durante 43 días, los porcentajes de eliminaciones de sulfuro de hidrógeno fueron superiores al 98% para una carga de alimentación de 78,1 gS-H2S m-3 h-1. Por tanto, el uso del fertilizante NPK fue viable. La última parte experimental consistió en la operación a largo plazo del sistema integrado. En primer lugar, se constató que el biofiltro percolador puede recibir una mezcla compuesta por nitrato y nitrito, sin que la combinación de ambos compuestos afecte al desarrollo del proceso de desulfuración anóxica. Además, el nitrito alimentado puede expresarse como nitrato equivalente con un factor de conversión de 1,6 mol N-NO2- igual a 1 mol N-NO3-eq. Posteriormente, se estudió el efecto de variaciones sinusoidales de la carga de sulfuro de hidrógeno (30-100 gS-H2S m-3 h-1) bajo lazo abierto con tiempos hidráulicos de residencia del tanque agitado de 32 y 48 horas; consiguiendo concentraciones de sulfuro de hidrógeno en la salida del biofiltro percolador inferiores a 125 ppmV, permitiendo la valorización energética del biogás en motores de combustión y cogeneración. Sin embargo, estas concentraciones impiden la valorización en las pilas de combustible, así que se testó exitosamente la utilización de un sistema de control retroalimentado con un control proporcional-integral usando como variable manipulada el caudal de alimentación de amonio del biorreactor de nitrificación y como variable controlada la concentración de sulfuro de hidrógeno a la salida. El sistema de control permitió mantener la concentración de sulfuro de hidrógeno en 15,1 ± 4,3 ppmV para el rango de cargas de entrada mayor (60-110 gS-H2S m-3 h-1). Finalmente, el sistema propuesto en la Tesis Doctoral se comparó desde un punto de vista ambiental y económico con las distintas alternativas que se presentan a la hora de desulfurar una corriente de biogás. Esto permitió hallar que el sistema propuesto es la mejor opción si el biorreactor de nitrificación se encuentra implementado en la planta y, por tanto, no es necesaria su construcción. De hecho, las emisiones para la categoría de impacto ambiental de cambio climático serían de 7,2 kg CO2eq kg-1 S-H2S, mientras que el coste económico de desulfurar 1 metro cúbico de biogás sería de 1,7 c€.