Desarrollo de ELAN®

Éxito en la colaboración

Universidad – Empresa – Administración

José Ramón Vázquez Padín

Departamento de Innovación y Tecnología

INTRODUCCIÓN

Descripción de la empresa

Áreas de Actividad

Presencia Internacional y Cifras de Negocio

Departamento de Innovación y Tecnología

INTRODUCCIÓN

Eliminación Autótrofa de Nitrógeno

NO3-

N org Animal

protein

Faecal

matter

Urine

Urea

N org

Vegetal

protein

NO2- N2

NH4+

Ciclo del nitrógeno

Comparación de procesos biológicos de eliminación de N

Procesos

O2

consumo

(kg O2 (kg N)-1)

DQO

consumo

(kg DQO (kg N)-1)

CO2

emisión

(kg CO2 (kg N)-1)

Producción

lodo

(kg VSS (kg N)-1)

Nitrificación-Desnitrificación 4.57 2.86 7.08 1.0 - 1.2

ELAN* 1.95 0 3.49 < 0.1

NH4+ + 0.85 O2 + 1.11 HCO3

- 0.44 N2 + 0.11 NO3- + 2.56 H2O + 1.11 CO2

NH4+ + 0.625 CH3COOH + 2 O2 + HCO3

- 0.5 N2 + 3.75 H2O + 2.25 CO2

*Proceso ELAN (ELiminación Autótrofa de Nitrógeno) corresponde a la combinación

Nitrificación parcial y Anammox en un único reactor

Decantación

Primaria

Entrada

Efluente

Espesadores

Fango Primario

Digestor

Anaerobio

Biogás

Tambores Espesado

Fango Secundario

Anóxico Aerobio

Sistema de lodos activos

Centrífugas de

Deshidratación

Lodo

Deshidratado

Decantación

Secundaria

Línea de agua

Línea de lodos

Pozo

Gruesos Bombeo

Pozo de

Fangos mixtos

Arena

Desarenador

Desengrasador Desbaste

Finos

Finos Gruesos

Caudal agua: 1%

Carga N: 15-20%

Carga P: 40-50%

N: 1000 mg N L-1

Tª: 30 - 35 ºC

P: 80 mg P L-1

N y/o P se eliminan a través

de procesos biológicos

EDAR Convencional

2000 – 2015

ELAN®: “del laboratorio al mercado”

1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010

1977 – Broda predice la existencia de las bacterias anammox

1995 – Mulder confirma la existencia de anammox

1914 – Ardern y Locket publican el primer trabajo sobre lodos activos

1923 – Primera planta de lodos activos en Inglaterra

1961-64 – Se definen las características de la nitrificación y desnitrificación

2001 – 1º planta escala industrial con anammox en Rotterdam

2014 – 100 plantas anammox en el mundo

2000 – Arranca la I+D sobre anammox en la USC

2004 – Primer lodo anammox de la USC

2006 – Nitrificación parcial y anammox en una etapa

2005 – Nitrificación parcial y anammox en dos etapas

Reactor laboratorio (1 L)

Cronología de la I+D+i sobre eliminación autótrofa de N

Dapena-Mora et al., 2004, Journal of Biotechnology 110: 159-170. Dapena-Mora et al., 2004, Journal of Chemical Technology and Biotechnology 79: 1421-1428. Trigo et al., 2006, Journal of Biotechnology,126: 475-487. Arrojo et al., 2008, Chemosphere, 72: 1687- 1693. Fernández et al., 2008, Biochemical Engineering Journal 42: 308-313. Vázquez-Padin et al., 2009, Bioresource Technology 100: 2988-2994. Vázquez-Padin et al., 2011, Water Science and Technology 63.6: 1282-2994. Figueroa et al., 2012, Biochemical Engineering Journal 65: 23 -29.

Tecnologías:

• 2-etapas • 1-etapa

• MBR • SBR • Airlift

• Biopelícula • Granular

2000 - Hoy : Investigación sobre anammox en la USC

1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010

1977 – Broda predice la existencia de las bacterias anammox

1995 – Mulder confirma la existencia de anammox

1914 – Ardern y Locket publican el primer trabajo sobre lodos activos

1923 – Primera planta de lodos activos en Inglaterra

1961-64 – Se definen las características de la nitrificación y desnitrificación

2001 – 1º planta escala industrial con anammox en Rotterdam

2014 – 100 plantas anammox en el mundo

2000 – Arranca la I+D sobre anammox en la USC

2004 – Primer lodo anammox de la USC

2010– Primera planta piloto ELAN

2015 – Primeras plantas ELAN a escala industrial

2006 – Nitrificación parcial y anammox en una etapa

2005 – Nitrificación parcial y anammox en dos etapas

Planta piloto (200 L)

Reactor laboratorio (1 L)

Cronología de la I+D+i sobre eliminación autótrofa de N

Objetivo: Eliminación sostenible de nutrientes para reúso de efluentes y residuos - nuevo proceso de eliminación de nitrógeno con menos energía y menos substrato carbono.

Duración: 2009-2012 Trainasa y 2011-2013 aqualia.

Apoyo: Xunta de Galicia para Trainasa 2009 (Incite).

CDTI (Centro para el Desarrollo Tecnológico Industrial) para aqualia 2011.

Investigador asociado con Ayuda Torres Quevedo (MICINN).

Socios: aqualia gestión integral del agua y TRAINASA.

Colaboradores : Univ. de Santiago de Compostela y Univ. de Vigo.

Presupuesto: Trainasa: 142.600 €. aqualia: 580.519 €.

Ayuda: Trainasa: 72.300 €. aqualia: Préstamo 343.841 € y ayuda. 51.576 €.

Ayuda Torres Quevedo 44.460 €.

Ubicación: Vigo (1ª fase), Guillarei y Friscos (2ª fase) (Galicia).

Eliminación Autótrofa de Nitrógeno (Línea de fangos)

2009 – 2015: FCC Aqualia / USC – Proceso ELAN® – Escalado

• Escalado del proceso, se ha puesto en marcha de un reactor de 200 L para corroborar la viabilidad del proceso y más tarde de 1200 L para la generación de mayores cantidades de biomasa.

1,5 L

200 L 1200 L

Ubicación de las plantas piloto

EDAR Vigo

EDAR Guillarei (Tui)

EDAR Guillarei:

2012 – 2014

EDAR Vigo

2009 – 2012

Proceso ELAN® – Resultados a escala piloto

0

300

600

900

1200

0 50 100 150 200 250 300

Tiempo (d)

mg

N/(

L d

)

VCN AOB NOB ANR

VCNe = Velocidad de carga nitrogenada a la entrada

AOR = Tasa de oxidación de amonio a nitrito

ANR = Tasa de eliminación de nitrógeno

NOR = Tasa de oxidación de nitrito a nitrato

0

2

4

6

8

10

0 50 100 150 200 250 300

Tiempo (d)

g V

SS

/L

25-11-2011 (Día 284)

HRT = 13 h

NH4+ entrada = 560 mg N/L

NH4+ salida = 36 mg N/L

NO2- salida = 2 mg N/L

NO3- salida = 29 mg N/L

Día 23

Día 242

Biomasa ELAN®

FCC Aqualia – USC: Obtención de patente europea ELAN®

Registro marca

ELAN®

23/10/2012

ELAN®

2 interfases: G – L y L – S 4 especies bacterianas 18 procesos

AERÓBICO

NH4+

N2

ANÓXICO NO2

- O2

NO3-

BOA

BON

AMX

HET

DQObiodegradable

AQUASIM (Reichert, 1998)

Biomasa g DTO/g SSV

C5.06H9.33O1.82N XH, XA, XN 1.62

CH2O0.5N0.15 XAMX 1.51

C4.74H6.53O1.63N0.5 XI 1.72

NH4+ + 1.40 O2 + 1.99 HCO3

- →

0.01 C5.06H9.33O1.86N + 0.99 NO2- + 2.93 H2O + 1.92 CO2

A

ALKALK

ALK

NH4NH4

NH4

O2

A

O2

O2

maxA, XCK

C

CK

C

CK

Cμ

Crecimiento Aerobio BOA

Crecimiento Anóxico HET H

SSs

S

NO3

H

NO3

NO3

O2

H

O2

H

O2gmaxH, X

CK

C

CK

C

CK

Kημ

CH3COO- + 0.69 NO3- + 0.20 NH4

+ → 0.20 C5.06H9.33O1.82N + 0.99 HCO3

- + 0.50 OH- + 0.34 N2 + 0.22 H2O

Crecimiento Anóxico AMX Amx

NO2

Amx

NO2

NO2

NH4

Amx

NH4

NH4

O2

Amx

O2

Amx

O2maxAmx, X

CK

C

CK

C

CK

Kμ

NH4+ + 1.32 NO2

- + 0.066 CO2 → 0.066 CH2O0.5N0.15 + 0.26 NO3

- + 1.02 N2 + 0.06 OH- + 1.90 H2O

Resp. End. Aerobia BON

C5.06H9.33O1.82N + 4.58 O2 →

0.22 C4.74H6.53O1.63N0.5 + 0.89 NH4+ + 0.89 HCO3

- + 3.12 CO2 + 1.72 H2O

N

O2

N

O2

O2

N XCK

Cb

Ejemplo de cinéticas y estequiometrías

Modelado matemático del sistema ELAN®

CI inf CI efl NH4+ inf NH4

+efl NO2 efl NO3 efl SSVr V gránulos Diámetro Nº gránulos superficie

mg CI/L mg CI/L mg N/L mg N/L mg N/L mg N/L g/L L mm m2

Experimental 306 64 355 74 13 57 7 0.26 3 18568 0.57

Modelado 330 48 350 58 14 49 7 0.26 3 18568 0.57

0

2

4

6

8

10

0 0.5 1 1.5 2

Co

nce

ntr

ació

n (

mg

/L)

Radio del gránulo (mm)

O2

N-NO2

Bacteria BOA Anammox

Modelado matemático del sistema ELAN®

2014 – 2015

ELAN®: Desarrollo INDUSTRIAL

Decantación

Primaria

Entrada

Efluente

Espesadores

Fango Primario

Digestor

Anaerobio

Biogás

Tambores Espesado

Fango Secundario

Anóxico Aerobio

Sistema de lodos activos

Centrífugas de

Deshidratación

Lodo

Deshidratado

Decantación

Secundaria

Línea de agua

Línea de lodos

Pozo

Gruesos Bombeo

Pozo de

Fangos mixtos

Arena

Desarenador

Desengrasador Desbaste

Finos

Depósito de

Fangos Secundarios

Finos Gruesos

ELAN®

Cristalizador

NH4MgPO4

EDAR Guillarei Mejorada

Influent

Effluent

Sludge

digesterThickening tank

Anoxic Aerobic

Activated sludge reactor

Dehydrated

sludge

Secondary

SettlerWater line

Sludge line

Dehydration

system

Sludge ReturnPrimary

Settler

AG

UA

BR

UTA

Caudal 33701 m3/d

Concent. Carga

g/m3 kg/d

DQO 234 7868

DBO5 113 3808

NT 24 821

NH4+-N 17 567

AG

UA

TR

ATA

DA

Sin ELAN®

Concent. Carga

g/m3 kg/d

DQO 27 908

DBO5 4 146

NT 15 517

NH4+-N 0.7 24

NO3--N 12 405

SOB

REN

AD

AN

TE D

A Caudal 70 m3/d

Concent. Carga

g/m3 kg/d

NT 1115 78

NH4+-N 1015 71

AG

UA

TR

ATA

DA

Con ELAN®

Concent. Carga

g/m3 kg/d

DQO 27 900

DBO5 4 135

NT 13 438

NH4+-N 0.7 24

NO3--N 10 337

FAN

GO

D

ESH

IDR

AT.

kg/d

SV 873

NT 108

CO

DIG

ESTI

ON

Carga

kg/d

NT 30

Implementación del proceso ELAN® en la EDAR Guillarei

Comparación Reactor Biológico/Reactor ELAN®

Unidades R. Biológico R. ELAN (línea agua) (línea lodos)

Volumen (m3) 9562 115

N desnitrificado (kg N/d) 226 67

N oxidado (kg N/d) 630 (a NO3-) 43 (a NO2

-)

Consumo energético kWh/kg N 2.5 1.1

Productividad lodos kg VSS/kg N 0.35 0.03

Tasa eliminación N kg N/(m3 d) 0.02 0.6

Tasa oxidación N kg N/(m3 d) 0.06 0.37

En el proceso ELAN® no se requiere de DQO y por lo tanto ésta se podría aprovechar para generar más metano en el digestor de lodos o bien para desnitrificar más en el reactor biológico.

En Galicia, la cantidad de materia orgánica disponible para desnitrificar suele ser limitada y por lo tanto el proceso ELAN® es una alternativa viable para conseguir más desnitrificación.

Planos de la ejecución

Construcción ELAN® Escala real

Construcción ELAN® Escala real

ELAN®

Difusión del conocimiento a la sociedad

Difusión de resultados obtenidos: Revistas científicas

Difusión de resultados obtenidos: congresos/jornadas/ferias

• SMAGUA 2012 de Zaragoza.

• Miguel López de la Universidad de Vigo elaboró su proyecto fin de carrera (2012).

• Póster en el congreso internacional “ECO STP” organizado por la IWA en Santiago de Compostela (2012)

• Congreso “Nutrient Removal and Recovery” Harbin (China) (2012)

• X Mesa Española de Tratamiento de Aguas (META, Almería) 2012.

• Jornadas Técnicas sobre Energías Renovables (Vigo, 2013)

• Jornadas de clausura del proyecto NOVEDAR CONSOLIDER (Madrid, 2013).

• SMART CITIES celebrado en Barcelona en 2013.

• Congreso mundial AD13 en Santiago de Compostela (2013)

Congreso internacional AD13 – Santiago de Compostela

Congreso internacional AD13 – Santiago de Compostela

Difusión de resultados obtenidos: multimedia

Premio Expansión

ELAN®

El futuro: la aplicación a la línea de aguas

Innpronta ITACA

Duración: octubre 2011- diciembre 2014.

Ayuda: Subvención TOTAL: 4.165.830 €. Subvención aqualia: 621.537 €.

Préstamo TOTAL: 8.988.305 €. Préstamo aqualia: 1.391.059 €.

Ubicación: Alcalá de Henares (Madrid), Guillarei (Pontevedra), Chiclana, etc.

Objetivo: Investigación de tecnologías de tratamiento, reutilización y control del agua para su uso sostenible: desarrollo anammox en corriente de agua, MFC para depuración.

Apoyo: programa INNPRONTA del MINECO (CDTI).

Socios: Líder: ADASA.

Otros: aqualia, Cespa, Cyclus, Deisa, Dow Chemical, DAM, Desarrollo ecológicos e industriales, JAP, Técnicas Reunidas.

Colaboradores: Universidad de Alcalá (UAH), Universidad de de Santiago de Compostela (USC).

Presupuesto: TOTAL: 15.475.454 €. aqualia: 2.367.760 €.

DATOS:.

Decantación Primaria

Entrada

Efluente

Espesadores Fango Primario

Digestor Anaerobio

Biogás

Tambores Espesado Fango Secundario

Anóxico Aerobio

Sistema de lodos activos

Centrífugas de Deshidratación

Lodo Deshidratado

Decantación Secundaria

Línea de agua

Línea de lodos

Pozo Gruesos Bombeo

Pozo de Fangos mixtos

Arena

Desarenador Desengrasador

Desbaste Finos

Finos Gruesos

EDAR del futuro, proceso ELAN® en línea de agua

Etapa A:

Recuperación

DQO

Etapa B:

Proceso

ELAN

EDAR del futuro, proceso ELAN® en línea de agua

Reto investigador a nivel mundial

6,85

6,9

6,95

7

7,05

7,1

7,15

7,2

-400 -200 0 200 400 600 800 1000

pH

Depth

Granulo 4 pH OD 0.7 OD 2.7

OD 1.8 OD 2.0

OD 4.2 OD aprox 5,3

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5

-400 -200 0 200 400 600

DO

Co

nce

ntr

atio

n (

mg/

L)

Depth

Granulo 1, DOSeries2

Series3

Series4

Series6

ELAN®

La revolución en la EDAR industrial

Influente

Digestor Anaerobio

Tanque homogeneización

SBR convencional

Biogas

Efluente Físico-químico

(DAF)

Lodo Lodo

N2

EDAR industrial del futuro con

ELAN®

ELAN

Efluente

Lodo

Influente Biogas

Lodo

N2

EDAR industrial con ELAN®

Digestor Anaerobio

Físico-químico (DAF)

El proceso ELAN® no requiere materia orgánica para la eliminación de nitrógeno y se consiguen tratar cargas superiores a 1 kg N/(m3 d) La materia orgánica puede tratarse en su totalidad en el digestor anaerobio para maximizar la valorización energética Eliminación de N con menor producción de fangos y menor consumo energético = Mayor sostenibilidad del tratamiento

Difusión de resultados obtenidos

Essen (Alemania) Abu Dhabi (EAU)

Tesis Nicolás (USC)

Lisboa (Portugal)

Verona (Italia)

ELAN®

Conclusiones y Agradecimientos

El éxito obtenido a lo largo de este desarrollo demuestra que la colaboración Empresa-Universidad-Administración con la ayuda de herramientas financieras de I+D permite industrializar procesos innovadores añadiendo valor. Buen ejemplo de este cambio en la concepción del proceso de depuración de aguas residuales hacia procesos más eficientes y sostenibles lo constituye el proceso ELAN® desarrollado por FCC Aqualia en colaboración y con el conocimiento previo de la Universidad de Santiago de Compostela. A lo largo de 2015, se está poniendo en marcha el proceso ELAN® en una EDAR industrial del sector agroalimentario gallego y en la EDAR municipal de Guillarei propiedad del Consorcio de Aguas del Louro y con la colaboración de Augas de Galicia.

Conclusiones

¡¡¡GRACIAS!!!

Desarrollo de ELAN®

Éxito en la colaboración

Universidad – Empresa – Administración

José Ramón Vázquez Padín

Departamento de Innovación y Tecnología