Operació i optimització d'un reactor AnSBR (Reactor discontinu seqüencial anaerobi)

Abstract

The necessity of a new treatment for the liquid fraction of swine manure makes the anaerobic digestion process in Sequencing Batch Reactor (SBR) to be raised as a good alternative. It is a reactor that works by cycles and it allows to retain a big concentration of active biomass inside, which allows to erase a high percentage of the organic matter even though its concentration is low, thanks to the retention of the active biomass that is kept in its inside. In this project, an experimental setup of a reactor AnSBR in a laboratory and its subsequent treatment of the liquid fraction of the swine manure at 37ºC using a control system with LabView to automate the process according to the speed of production of the biogas has been realized. An inoculate has been used with SAO identified bacteria, which look interesting because they are capable to produce biogas at high concentration of ammonia of slurry. The set-up of the system has been taken out successfully and the equipment provided were the necessary. Although, the sealing of the reactor has not been fully completed despite of the long tests performed and the use of Teflon and the O-rings. The main issue has been caused by the upper cap of the reactor, which due to its big diameter is prone to infiltrations. Because of this, it is recommended the use of commercial glass stoppers, which can be completely adapted to the head of the reactor. Due to the short time disposed after the performance of the experimental assemblage, only two cycles of the reactor have been done. The first one last 38 days and the second one, 51. No clear results have been obtained because the treated material had been stored for a long time since its creation and, therefore, the major part of the organic matter had probably been degraded due to the high biodegradability that the pig dejections show. The ammoniacal nitrogen content of the substratum was also inferior than expected, so during the follow of the second cycle concentrations remained between 0,886 and 1,046 g N-NH4+/I , a third part of the usual concentration according to the bibliography. This prevented to check the capacity of the microorganisms SAO. To simulate fresher slurry, glucose has been added as a source of organic matter to the substrate of the second cycle, which causes a high velocity of production of the biogas very higher to the one of the first cycle. However, this one could not be measured due to its lack of sealed. Addition of glucose also impacted on the reduction of the solids and the organic matter of the slurry, which has been incremented. This fact, probably, is due to the release of extracellular enzymes because of the higher taxes of growth that provides the availability of organic matter that is accessible and in a soluble state. To the biogas that was obtained of methane of 95%, while the highest results found in the bibliography were close to 80%. To this result is attributed the probable contamination of the storage bag which was reused. Therefore, the storage gas for its subsequent analysis has to be the focus of attention for the future projects. To sum up, the process has been maintained stable because no important variations of the pH were observed, which remained all 89 days close to 8, typical pH of the slurries. The volatile fats acids reached to a concentration of 3.293 mg/l during the second cycle, a number slightly above the inhibitory limit. Although, no alterations of the velocity of production of biogas related to this increase were observed.

La necessitat d'un nou sistema de tractament per a la fracció líquida de purins de porc fa que el procés de digestió anaeròbia en reactors tipus "Sequencing Batch Reactor" (SBR) es plantegi com una bona alternativa. Es tracta d'un reactor que funciona per cicles i que permet retenir una alta concentració de biomassa activa al seu interior, el qual permet eliminar un alt percentatge de la matèria orgànica encara que la concentració d'aquesta sigui baixa, com és el cas, gràcies a la retenció de biomassa activa que és capaç de mantenir al seu interior, Al present treball s'ha realitzat el muntatge experimental d'un reactor AnSBR a nivell de laboratori i el posterior tractament de la fracció líquida de purins a 37 ºC utilitzant un sistema de control creat amb LabView per automatitzar el procés en funció de la velocitat de producció de biogàs. S'ha utilitzat un inòcul amb bacteris SAO identificats, els quals resulten d'interès perquè són capaços de produir biogàs a les altes concentracions d'amoníac dels purins. El muntatge del sistema s'ha portat a terme satisfactòriament i l'equipament ha estat el necessari. L'estanqueïtat del reactor, però, no s'ha aconseguit completament tot i les llargues proves realitzades i l'ús de tefló i juntes tòriques. La principal problemàtica l'ha causat el tap superior del reactor, el qual, degut al seu gran diàmetre, és més propens a patir infiltracions. Per aquest motiu es recomana l'ús de taps de vidre, els quals es poden adaptar completament al capçal del reactor. Degut al poc temps del què es disposava després de realitzar el muntatge experimental, només s'ha pogut portar a terme dos cicles del reactor. El primer ha durat 38 dies i el segon 51. No s'ha obtingut resultats concloents ja que el material tractat portava llargs temps d'emmagatzematge des de la seva generació i, per tant, probablement la major part de la matèria orgànica ja s'havia degradat a causa de l'alta biodegradabilitat que presenten les dejeccions porcines. El contingut de nitrogen amoniacal del substrat també va resultar molt inferior a l'esperat, de manera que durant el seguiment fet al segon cicle es van mantenir concentracions d'entre 0,886 i 1,046 g N-NH4+/l, una tercera part de la concentració habitual segons la bibliografia. Això va impedir comprovar la capacitat dels microorganismes SAO. Per simular purins més frescos s'ha addicionat glucosa com a font de matèria orgànica a l'influent del segon cicle, fet que s'ha traduït en una velocitat de producció de biogàs molt superior a la del primer cicle. Aquesta, però, no s'ha pogut mesurar completament a causa de la falta d'estanqueïtat. L'addició de glucosa també ha repercutit sobre la reducció dels sòlids i de la matèria orgànica dels purins, la qual ha incrementat. Aquest fet probablement sigui degut a l'alliberació d'enzims extracel·lulars degut a les més altes taxes de creixement que proporciona la disponibilitat de matèria orgànica accessible i en forma soluble. Al biogàs s'ha obtingut un percentatge de metà del 95%, mentre que els resultats més alts trobats a la bibliografia s'aproximaven al 80%. A aquest resultat s'atribueix una possible contaminació de la bossa d'emmagatzematge, la qual era reutilitzada. Per tant, als futurs treballs l'emmagatzematge del gas ha de ser objecte d'atenció. En general es pot dir que el procés s'ha mantingut estable ja que no s'ha observat variacions important del pH, el qual s'ha mantingut durant els 89 dies pròxim a 8, típic pH dels purins. Els àcids grassos volàtils van arribar a la concentració de 3.293 mg/l durant el segon cicle, un valor lleugerament superior al límit inhibitori. Tot i això, no es va observar alteracions de la velocitat de producció de biogàs lligades a aquest increment.

La necesidad de un nuevo sistema de tratamiento para la fracción líquida de los purines de cerdo hace que el proceso de digestión anaerobia en reactores tipo "Sequencing Batch Reactor" (SBR) se plantee como una buena alternativa. Esto es debido a la capacidad de este tipo de reactores de eliminar un alto porcentaje de la materia orgánica aunque la concentración de esta sea baja, gracias a la retención de biomasa activa es capaz de mantener en su interior. En el presente trabajo se ha realizado el montaje experimental de un reactor AnSBR y el posterior tratamiento de la fracción líquida de purines recogida en una granja de Osona utilizando un sistema de control creado con LabView para automatizar el proceso en función de la velocidad de producción del biogás. Durante este proceso se ha aprovechado para avaluar, además, el funcionamiento del sistema y la necesidad de realizarle modificaciones para la mejora de los próximos estudios que se realicen. El montaje del sistema se ha llevado a cabo satisfactoriamente y los equipos de los que se disponía han sido los necesarios. La estanqueidad del reactor, aun así, no ha sido completa a pesar de las largas pruebas realizadas y del uso de teflón y juntas tóricas. La principal problemática la ha causado el tapón superior del reactor, el cual, debido a su gran diámetro, es más propenso a sufrir infiltraciones. Por este motivo, se recomienda el uso de tapones de cristal, los cuales se pueden adaptar completamente al cabezal del digestor. En cuanto al sistema de control, la necesidad de mejoras ha sido clara debido a los problemas observados al pasar de un ciclo del reactor a otro o al almacenamiento de los datos de producción de biogás, de manera que se ha realizado las mejoras necesarias para llevar a cabo el proceso adecuadamente y de forma automatizada durante los próximos estudios. Aun así, el programa aún muestra aspectos mejorables para agilizar la obtención de los datos. La operación del reactor para tratar la fracción líquida de los purines ha mostrado resultados prometedores, pero ninguno concluyente, ya que el material tratado llevaba largos tiempos de almacenaje des de su generación y, por lo tanto, probablemente la mayor parte de la materia orgánica se haya degradado a causa de la alta biodegradabilidad que muestran las deyecciones ganaderas. Por este motivo, para simular purines más frescos, se ha adicionado glucosa como fuente de materia orgánica, obteniendo así mejores resultados. Durante el ciclo del reactor en que se ha adicionado la glucosa, se ha observado una alta reducción del contenido en sólidos y altas velocidades de producción de biogás al inicio del ciclo. Probablemente, pero, estas altas velocidades disminuirían al tratar purines frescos debido a la necesidad de hidrolizar antes el sustrato. De la producción de biogás de este ciclo sólo se ha podido medir durante su inicio debido a las pérdidas de biogás ocasionadas por la falta de estanqueidad del sistema En el biogás se ha obtenido un alto porcentaje de metano, el cual ha sido del 95%, mientras que los resultados más altos encontrados en la bibliografía se aproximaban al 80%. A este resultado se la probable contaminación de la bolsa de almacenaje, la cual era reutilizada. Por lo tanto, el almacenamiento del gas para su posterior análisis tiene que ser objeto de atención en los futuros trabajos.