Recuperación de metano disuelto en el efluente de un reactor anaerobio de lecho expandido mediante contactores de membrana
NAGIOS: RODERIC FUNCIONANDO

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

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

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dc.contributor.advisor Martínez Soria, Vicente
dc.contributor.advisor Izquierdo Sanchis, Marta
dc.contributor.author Henares Jiménez, María
dc.contributor.other Departament d'Enginyeria Química es_ES
dc.date.accessioned 2017-06-08T07:20:39Z
dc.date.available 2017-06-09T04:45:05Z
dc.date.issued 2017 es_ES
dc.date.submitted 16-06-2017 es_ES
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/10550/59057
dc.description.abstract 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. es_ES
dc.format.extent 237 p. es_ES
dc.language.iso es es_ES
dc.subject Desgasificación es_ES
dc.subject Contactor de membrana es_ES
dc.subject Metano disuelto es_ES
dc.title Recuperación de metano disuelto en el efluente de un reactor anaerobio de lecho expandido mediante contactores de membrana es_ES
dc.type info:eu-repo/semantics/doctoralThesis es_ES
dc.subject.unesco UNESCO::CIENCIAS TECNOLÓGICAS es_ES
dc.description.abstractenglish Greenhouse gases (GHG) emissions into the atmosphere is one of the most important environmental problems nowadays, due to its relation with global warming and climate change. One of the most relevant GHG is methane, with a global warming potential 28 times higher than that carbon dioxide. The wastewater treatment sector contributes to methane emissions, especially the anaerobic treatment at ambient temperature. In these systems, part of the produced methane may be dissolved in the water due to the increase of methane solubility at low temperatures. Controlled methane degassing of effluents from anaerobic treatment is of great importance not only because of the negative effects to the environment of diffuse emissions and their contribution to climate change, but also because of the recovery of a potential energy source. Conventional degassing methods such as packed or plate towers present some disadvantages associated to the direct contact between the liquid and gas phases, such as emulsions, foaming, flooding, etc. In this sense, membrane contactor technology is an alternative for the degassing of liquid streams. This doctoral thesis addresses the study of the recovery of dissolved methane in the effluent of an anaerobic reactor with hollow fiber membrane contactors. Results presented in this thesis are a starting point for the implementation of this technology in anaerobic water treatment systems. The recirculation stream of a laboratory anaerobic expanded granular sludge bed reactor (EGSB) with an oversaturated concentration of dissolved methane was taken as reference effluent. After the start up, the stable operation of the EGSB reactor at high organic load was evaluated. Then, two polydimethylsiloxane (PDMS) and polypropylene (PP) hollow fiber membrane contactors were alternately coupled to the recirculation stream of the reactor. Membrane contactors used in degassing applications can operate mainly in two modes of operation: vacuum mode and sweep gas mode (in this case nitrogen). In order to study both modes of operation, the influence of different operational parameters on the removal efficiency of dissolved methane with the PDMS and PP contactors was evaluated: liquid flow rate, nitrogen flow rate, vacuum pressure and configuration of the liquid in the contactor. A decrease in the removal efficiency was observed with the increase of the treated liquid flow rate and with the decrease of the applied vacuum pressure. The maximum removal efficiencies with the vacuum operation mode were 77 % and 93 % for the PDMS and PP contactors, respectively, at a liquid flow rate of 0.36 L h-1 for PDMS contactor and 4.07 L h-1 for PP, at a vacuum pressure of 800 mbar. In the operation sweep gas mode, no significant changes in the removal efficiency were observed when the nitrogen flow rate was modified. A maximum removal efficiency of 74 % was obtained with the PDMS contactor with a liquid flow rate of 0.36 L h-1 and nitrogen flow rate of 27 L h-1; while a removal efficiency of 98 % was achieved with the PP contactor at a liquid flow rate of 4.07 L h-1 and at a nitrogen flow rate of 800 L h-1. In general, PP contactor showed higher removal efficiencies than PDMS, except for experiments carried out under vacuum conditions and at liquid flow rates higher than 13.56 L h-1, in which the PP contactor experienced a sudden drop in the removal efficiency, attributed to the pore wetting phenomenon. Vacuum operation and sweep gas with nitrogen showed similar removal efficiencies with the PDMS contactor. However, for the PP contactor, sweep gas operation was more efficient in the methane removal. For both modes of operation, the influence on the removal efficiency of the liquid configuration in the contactor (lumen side or shell side) was evaluated. The configuration with the liquid inside the fibers (lumen side) was always more efficient, probably due to the lower velocity of the liquid through the shell and to the appearance of the channelling or bypass phenomenon. A basic study of the energy recovery from the use of methane was carried out from the results of the laboratory tests in vacuum mode. A positive recovered energy at all the vacuum pressures tested was obtained, with both the PDMS contactor and with the PP one. In addition, the diffuse emissions of methane avoided from the laboratory results were calculated, obtaining a value of up to 1128 kg of CO2 equivalent for each 1000 m3 of treated water. Mass transfer studies in membrane contactors are of great importance in order to carry out an appropriate dimensioning and operation. In this work, both the experimental mass transfer coefficients obtained from the tests performed and the estimation of the mass transfer coefficients from literature correlations were obtained. An increase of the experimental mass transfer coefficients was observed with the applied vacuum pressure, the treated liquid flow rate and the nitrogen flow rate. The phenomenon of pore wetting of the PP membrane contactor was corroborated by a sharp drop in the experimental mass transfer coefficient at intermediate flow rates. The estimation of mass transfer coefficients with correlations checked that the predominant resistance to the mass transfer in these systems is that of the liquid phase. The gas phase resistance resulted negligible, and that of the membrane was especially significant in the case of pore wetting of the PP membrane. The methane oversaturation had a positive effect on the mass transfer, resulting in values of experimental resistance lower than those estimated with the correlations, especially in the vacuum tests with the PDMS contactor. An enhancement factor of the mass transfer (E) due to oversaturation has been estimated, associated with the resistance of the liquid phase, resulting in a value of 1.6 for the operation at 500 mbar. Fouling of membrane contactors is one of the most common drawbacks of the use of membrane technology and requires an individualized study to be able to adapt cleaning strategies to each particular case. The work presented in this doctoral thesis represents the first systematic study of the effect of the long-term operation of membrane contactors on the removal efficiency of dissolved methane, and the first attempt to establish an operating protocol for these systems. During the short-time experiments of the contactors, daily cleanings were carried out with deionized water which allowed the stable operation of the modules for 5220 h (2970 h in lumen side configuration and 2250 h in shell side) with the PDMS contactor and 5130 h (3510 h in lumen side and 1620 h in shell side) with the PP one, without observing loss of removal efficiency. However, in continuous operation without intermediate cleanings, chemical washes of the modules were necessary to recover the initial removal efficiency. The time of continuous operation with the liquid into the fibers without fouling observation was of 200 hours for PP contactor, higher than the 120 hours obtained for PDMS contactor. Fouling with the liquid into the shell was faster than inside the fibers, probably due to the lower liquid velocity. From the results, a cleaning strategy consisting of backwashing with water is proposed every 24 hours, trying to avoid chemical washes in order to minimize reagents consumption and membrane damage. In the framework of a future extension of the study presented in this doctoral thesis at pilot scale, it was proceeded to the dimensioning of a system of PP membranes coupled to the industrial prototype of anaerobic bioscrubber developed and operated by the research group GI2AM and by the company Pure Air Solutions. A cost analysis of the implantation of this membrane system was performed. For the treatment of 3 m3 h-1 of anaerobic effluent, this analysis resulted in an investment of 14723 € and operational costs of 7333 € per year. es_ES
dc.embargo.terms 0 days es_ES

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