Producción de hidrógeno mediante co-digestión de biosólidos y vinazas

Abstract

El presente trabajo Fin de Máster se enmarca dentro del proyecto de investigación del Programa del Plan Nacional Retos ref. CTM2015 – 64810 – R, cuyo objetivo es el estudio de la co – digestión anaerobia de lodos de estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR) junto con vinazas de vino en un proceso de digestión anaerobia en fase secuencial de temperatura o tecnología TPAD (Temperature – Phased Anaerobic Digestion) con separación de microorganismos. El proceso seleccionado permite que se desarrolle una fase acidogénica termofílica seguida de una metanogénica mesofílica para obtener hidrógeno (H2) en la primera etapa y metano (CH4) en la segunda, unificando, de este modo, todas las ventajas que presentan estos procesos de digestión anaerobia de forma individual. En este contexto, el presente trabajo Fin de Máster se ha enfocado al estudio de la primera etapa del proceso, es decir, a la co – digestión acidogénica termofílica de lodos y vinazas, para la producción de hidrógeno. Para ello, se han desarrollado diferentes tests de biodegradabilidad empleando como sustrato lodos y vinazas en diferentes proporciones. Esto nos va a permitir seleccionar la mezcla que mejor se adapte a nuestras necesidades. Para ello, se compara la biodegradabilidad de las diferentes mezclas a partir de la caracterización físico – química de las mismas al inicio y al final del ensayo anaerobio así como mediante la medición diaria del volumen y composición de biogás que se genera durante el proceso de biodegradación. Los mejores resultados se han obtenido para la mezcla que tenía una proporción del 100% de vinazas (mezcla EI) que fue la que más hidrógeno produjo debido a su mayor cantidad de materia orgánica soluble y de ácido acético y butírico al final del ensayo. Asimismo, la mezcla que produjo menos hidrógeno fue la que contenía una proporción del 100% de lodos (mezcla AI) por su mayor contenido en ácido propiónico al final del ensayo. El resto de mezclas empleadas presentaron una producción de hidrógeno con una tendencia similar a la mezcla EI pero sin llegar a superar los valores de esta última. Como conclusión se puede decir que los resultados del estudio ponen de manifiesto que un incremento de vinazas en la alimentación ofrece ventajas en cuanto a la generación de hidrógeno. De esta forma, la incorporación de este tipo de efluentes en las depuradoras de aguas residuales presenta ventajas para el balance energético del proceso, incrementando de forma progresiva la cantidad de hidrógeno generado en la EDAR al aumentar la carga de vinazas.

The present work End of Master is framed within the research project of the National Challenges Plan Program ref. CTM2015 - 64810 - R, whose objective is the study of the anaerobic co-digestion of sludge from wastewater treatment plants (WWTP) together with wine vinasse in a process of anaerobic digestion in sequential phase of temperature or TPAD (Temperature - Phased Anaerobic Digestion) technology with separation of microorganisms. The selected process allows the development of a thermophilic acidogenic phase followed by a mesophilic methanogenic phase to obtain hydrogen (H2) in the first stage and methane (CH4) in the second stage, in this way, unifying all the advantages of these anaerobic digestion processes individually. In this context, this End of Master work has focused on the study of the first stage of the process, that is to say, the thermophilic acidogenic co-digestion of sludge and vinasse, for the production of hydrogen. For this purpose, different biodegradability tests have been developed using sludge and vinasse in different proportions as substratum. This will allow us to select the mix that best suits our needs. For this purpose, the biodegradability of the different mixtures is compared from the physical – chemical characterization of the mixtures at the beginning and at the end of the anaerobic test as well as through the daily measurement of the volume and composition of biogas generated during the biodegradation process. The best results have been obtained for the mixture that had a proportion of 100% vinasse (EI mixture) which was the one that produced more hydrogen due to its greater amount of soluble organic matter and acetic and butyric acid at the end of the trial. Also, the mixture that produced less hydrogen was the one that contained a 100% sludge proportion (AI mixture) due to its higher propionic acid content at the end of the trial. The rest of the mixtures used showed a hydrogen production with a similar tendency to the EI mixture but without exceeding the values of the latter. As a conclusion, it can be said that the results of the study show that an increase in vinasse in the feed offers advantages in terms of hydrogen generation. In this way, the incorporation of this type of effluent in wastewater treatment plants presents advantages for the energy balance of the process, progressively increasing the amount of hydrogen generated in the WWTP by increasing the load of vinasse.