including Wastewater

Transcripción

BIOGAS
FORUM
1999/I No. 76
BIOGAS
FORUM
Pequeñas Plantas de Tratamiento
de Aguas Residuales Domesticas
(Aplicacion en Paises Andinos)
Basadas en el Reactor Anaerobio a Piston RAP-100(CH).
Experencias a Escala Real.
Possibilities of Increasing
Biogas Production by using Different
Mixtures of Animal Wastes
g r
n
i
e
d
t
u
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c
in ste
a
W
2
BIOGAS
FORUM
1999/I No. 76
BIOGAS
FORUM
Contents
Basadas en el Reactor Anaerobio
a Piston RAP-100(CH).
Biogas Production by using
Different Mixtures of
Animal Wastes
IMPRESSUM
ISSN: 0936 –– 8728
4
12
Events
17
Ludwig Sasse: Retirement
18
Books
20
Correction and regret
We are sorry that the name of the author of
the article „Biogas Production enhancement
by Cellulotic Strains of Actinomycetes“ in
FORUM No. 72 had been printed wrongly.
The article was not written by Dr. M.D.
Dhawale, but by Dr. M.R. Dhawale. We
apolgize to both gentlemen.
We are also sorry that we could not publish
the International Training Programme on
Biogas which was organised from 1st to
22nd February by the Regional Biogas
Training and Development Centre, Udaipur,
India because the information did not reach
us in time. To inquire for future programmes,
please contact Dr. A.N. Mathur
via Fax 0091 294 417056 or
e-mail: [email protected].
Editor:
BORDA, Bremen Overseas Research and
Development Association, Industriestr. 20,
D-28199 Bremen, Fed. Rep. of Germany,
Tel. (0421) 1 37 18, Fax (0421) 165 53 23,
Editorial responsibility: Ludwig Sasse,
Tel. (0421) 39 21 72, Fax (0421) 39 21 27
Financed by:
BORDA and State Office for Development
Cooperation, Senator of Ports, Transport
and Foreign Trade of the Free Hanseatic
City of Bremen, Martinistrasse 24, D-28195
Bremen.
Issued:
4 times a year.
The BIOGAS FORUM was established after the 1st Bremen Biogas Workshop 1979
serving as a medium for the exchange of
experience amongst those working in the
field of biogas. The BIOGAS FORUM understands itself as a link between scientists and
practitioners and as a platform for practical
men and women.
The editor reserves the right of necessary
shortening of articles and simplifying the
language and presentation of the same.
BORDA does not claim any copyright under
the condition that BIOGAS FORUM is mentioned as source in case of using articles or
drawings. The authors agree on this point
when handing over articles to the BIOGAS
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Articles signed by the name of the author
do not necessarily express the opinion of
neither the editor nor the sponsor.
Articles are to be sent in English, French or
Spanish to BORDA latest three months
before the next issue. The articles are
published in the original language. A short
summary in English, French and Spanish
of each article which the author is not
responsible for will be written by BORDA.
3
BIOGAS
FORUM
Basadas en el Reactor Anaerobio a Piston RAP-100(CH).
Resumen
En este artículo se describe el estudio de dos
plantas basadas en el reactor anaerobio a pistón
(RAP-100) a escala real proyectadas a partir de
experiencias a nivel laboratorio. Las plantas
tienen una capacidad de 30 y 35 m3, consisten
en: reja, desarenador, vertedero, by pass y RAP100. Fueron operadas con aguas residuales
domésticas de baja y mediana carga. Se estima
que la planta de 30 m3 puede tratar las aguas de
800 a 1000 habitantes, mientras que la planta de
35 m3, trata las aguas residuales de unos 1200
habitantes. Los resultados de mas de un año de
seguimiento a estos dos sistemas han permitido
concluir que el periodo de puesta en marcha de
los RAP-100 para pequeñas poblaciones está
entre los 40 o 50 días, se alcanzan eficiencias de
remoción de DQO y DBO5 cercanas al 75%,
con tiempos de retención hidráulicos medios de
8 h. Las experiencias a escala real han permitido
obtener información valiosa sobre en el control
de vectores en los RAP-100, uso de materiales
adecuados de construcción, requerimientos de
personal para operación y control, producción
de malos olores, Etc. Los conocimientos
prácticos adquiridos han permitido proyectar
dos plantas de 78 y 227 m3, para una población
sub tropical, una de esta plantas está diseñada
para tratar simultáneamente las aguas residuales
domésticas y las aguas residuales de un pequeño
matadero.
Palabras claves
RAP-100(CH), tanque decantación – digestión,
pozos ciegos, cámara hidrolizante, lagunaje de
alta producción algal.
4
Introduccion
En Bolivia existen importantes inversiones en
saneamiento básico rural, sin embargo el hecho
de implementar sistema de agua potable y alcantarillado en pequeñas poblaciones ( de mas
de 2000 habitantes), deficientes sistemas de
tratamiento de las aguas residuales domésticas,
no hace mas que trasladar el problema sanitario
desde los núcleos poblados hacia las
poblaciones dispersas, debido a que se colectan
las aguas residuales de los núcleos (que antes
se las disponía en el subsuelo mediante pozos
ciegos) y se las vierte a pequeñas corrientes de
agua aledañas (con caudales muy variables y
prácticamente nulos en época de estío), las
cuales son fuentes de agua potable y para riego
de poblaciones “aguas abajo”. De esta manera
es de esperar una gran dispersión de contaminantes orgánicos y patógenos en los próximos años con la propagación de enfermedades
de origen hídrico, degradación de los pocos
recursos hídricos existentes y disminución de
la precaria calidad de vida del área rural en
nuestro País.
En Bolivia al igual que en otros países andinos
y en varias partes del mundo, solo se plantean
algunas tecnologías convencionales para
mitigar estos problemas (tanques Inhoff,
cámaras de decantación – digestión, etc.) los
cuales en la práctica no sobrepasan el 30% de
eficiencia de remoción de contaminantes,
también se están planteando lagunas de
estabilización, sin embargo sus costos han
demostrado ser prohibitivos en muchos casos
del área rural de Bolivia.
BIOGAS
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Ante esta grave situación y con la
esperanza de dar una opción tecnológica mas viable, la Universidad
Autónoma Juan Misael Saracho con
el financiamiento del Fondo
Nacional para el Medio Ambiente,
ha decidido llevar a cabo una segunda
etapa de investigación sobre el
sistema RAP-100, la cual consiste
en el estudio de dos plantas a escala
real de 30 y 35m3, adaptadas para
pequeñas poblaciones de Bolivia.
Descripcion de las Plantas de
Tratamiento Basadas en el
RAP-100(CH)
Las plantas de tratamiento basadas
en el concepto RA-100(CH), reactor
anaerobio de flujo pistón con 100%
de flujo ascendente y cámara hidrolizante, tienen los siguientes elementos: aliviadero y by –pass; reja; desarenador; vertedero; RAP-100(CH);
siste-ma natural de oxigenación (si
las condiciones de topografía lo
permiten) y lagunaje de alta producción algal (dependiendo del
grado de tratamiento deseado), en la
Figura 1, se detalla un diagrama de
flujo. En la Figura 2 se muestra una
instantánea de la planta RAP-100”El
Tejar”.
Figura 2: Instantanea de la Planta de RAP-100(CH) ”El Tejar”.
Figura 1: Diagrama de Flujo de una Planta de Tratamiento Basada en el RAP-100(CH)
5
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Operacion y Control
Se han realizado experiencias en dos plantas:
RAP-100”El Tejar” y RAP-100”San Lorenzo”.
Las principales características de operación de
la planta RAP-100”El Tejar” son:
❏ Aguas residuales: Aguas residuales
domésticas crudas.
❏ Temperatura de operación: 17 - 22 oC
❏ Fuente del agua residual: Red matriz de
alcantarillado de la Ciudad de Tarija.
❏ Caudal de diseño: 1.19 l/s.
❏ Rango de caudales de operación: 0.8 a 1.3 l/s.
❏ Caudal medio de operación: 1.05 l/s.
❏ Grado de Tratamiento: Primario y secundario.
❏ Volumen útil: 30 m3.
Las principales características de operación de
la planta RAP-100 ”San Lorenzo” son:
❏ Aguas residuales: Aguas residuales domésticas semi tratadas en un tanque de decantación
digestión.
❏ Temperatura de operación: 17 - 22 oC
❏ Fuente del agua residual: Final red matriz
de alcantarillado de la Población de San
Lorenzo.
❏ Caudal de diseño: 1.22 l/s.
❏ Rango de caudales de operación: 0.8 a 1.3 l/s.
❏ Caudal medio de operación: 1.1 l/s.
❏ Grado de Tratamiento: Primario y secundario.
❏ Volumen útil: 35 m3.
En ambas plantas se ha evaluado periódicamente el DQO y el DBO5 del agua residual
cruda y tratada, en el agua tratada estos
parámetros ha sido analizados luego de
sedimentar la muestra por algunas horas, con
el objeto de no tomar en cuanta lodos anaerobios
que salen fuera del reactor (estos lodos son
bastante estables, no atraen moscas y se tiene
pensado implementar un sedimentador en la
ultima cámara y un sistema de extracción
regular, para evitar su salida junto con el
efluente). Con el objeto del control de la fermentación anaerobia se ha analizado periódicamente el pH, los ácidos volátiles, la
alcalinidad y el factor de capacidad tampón.
6
Resultados y Discussion
Para el RAP-100”Tejar”:
Los resultados de control de la operación del
RAP-100 y análisis de estabilidad del proceso
fermentativo, se resumen en los siguientes
puntos:
❏ La temperatura de operación durante el
periodo de análisis (Febrero – Junio 1998)
tiene un valor de 21±2.5oC, lo cual indica
que el sistema no ha operado aún (en 1998),
bajo condiciones críticas de temperatura.
Ello sugiere que la evaluación se debe
ampliar hasta los meses mas fríos del año
(Julio – Noviembre).
❏ Tanto el pH del agua residual cruda, de la
primera cámara, última cámara y agua
residual tratada, tienen valores de:
7.14±0.26; 6.99±0.24; 6.84±0.11 y
6.93±0.11 respec-tivamente, están dentro
de 6.5 a 7.5 que es el rango óptimo para la
fermentación anaerobia. Se observa mayor
estabilidad del pH en el agua residual tratada
lo cual se refleja en las menores desviaciones
estándar del pH de las últimas cámaras.
❏ La alcalinidad total AT con valores de
208.4±36 y 251±22 (meq./l) y los ácidos
grasos volátiles AGV, con valores de 38.6±7
y 36±10 (meq./l) en la primera y última
cámara, definen los valores del factor de
capacidad tampón FCT, los cuales tienen
valores de 0.16±0.02 y 0.12±0.3
respectivamente. Los FCT encontrados están
dentro del rango de 0.1 a 0.5, lo que indica
buen equilibrio ácido- base y capacidad
tampón del proceso. Tanto los valores de
AT, AGV y FCT tiene consonancia con los
valores reportados en estudios a nivel
laboratorio. Medina -96.
Se ha determinado la cantidad de lodo
metanogénico desarrollado en el RAP-100 “El
Tejar y su distribución concluyéndose que:
❏ A los 417 días de operación el reactor tiene
una concentración de 6.51 gr. de sólidos
volátiles por litro de reactor. La concentración de lodo es muy similar a la reportada
en el estudio a nivel laboratorio y podría
establecer un límite superior de concentración de lodo, el cual es controlado por el
arrastre de lodo de cámara a cámara hasta el
exterior.
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❏ El perfil de lodo refleja una distribución de
lodo bastante lógica (cantidades de lodo
descendentes desde las primeras cámaras
hacia las últimas) en las primeras 6 cámaras,
la cual es posiblemente gobernada por la
concentración del sustrato y el arrastre de
lodo. La lógica de esta distribución de lodo,
pierde continuidad en las últimas cámaras 7,
8 y 9, debido a que la cámara 7 tiene el doble
de volumen que el resto de las cámaras (por
rotura accidental de un deflector de fibrocemento).
Los reportes de DQO y DBO5 y las curvas de
eficiencia durante el periodo de análisis se
pueden observar en las Figuras 3. A partir de
los datos mostrados se pueden anotar los
siguientes puntos:
❏ El porcentaje de eficiencia de remoción de
DQO tiene un valor de 74±8, frente a un
77±5.5 encontrado a nivel laboratorio, los
valores de DQO del influente y efluente son
de 313±89 y 79±20, frente a 498±92 y
108±13 encontrados a nivel laboratorio.
❏ El porcentaje de eficiencia de remoción de
DBO5 tiene un valor de 76±4, frente a un
87±1.5 encontrado a nivel laboratorio, los
valores de DBO5 del influente y efluente son
de 247±41 y 59±7, frente a 292±21 y 38±3
encontrados a nivel laboratorio.
❏ Tomando en cuenta las concentraciones de
sólidos volátiles de lodo y los tiempos de
retención similares de 6.5 gr. SV/l y 8.2 h.,
frente a 6.27 gr. SV/l y 8 h., para el estudio
a escala real y a escala laboratorio respectivamente, las eficiencias de remoción de
DQO de 74% y 77%, corroboran ambos
estudios. En el caso de la eficiencia de
remoción de DBO5, no se encuentra la misma
proporción, probablemente debido a la
mayor concentración de bacterias anaerobias
en el efluente del RAP-100 escala real, lo
cual podría influir en la determinación del
DBO5 (mayor flora microbiana).
Para el RAP-100”San Lorenzo”:
Los parámetros de control adoptan los
siguientes valores durante el periodo de
operación:
❏ La temperatura del reactor tiene valores de
21.3±1.7oC, lo que sugiere que la evaluación
se debe extender a periodos mas fríos (Julio,
Agosto y Septiembre).
❏ El pH de la primera y última cámara tienen
valores de 6.69±0.13 y 6.73±0.11
respectivamente y están dentro del rango de
pH óptimo de 6.5 a 7.5.
❏ El factor de capacidad tampón FCT para la
primera y última cámara tiene valores de
0.11±0.3 y 0.10±0.03 respectivamente,
valores que están dentro del rango normal
de 0.1 a 0.5 e indican una buena capacidad
tampón del medio donde se desarrolla la
digestión anaerobia.
Figura 3a: Curva de Eficiencia de Remocion de DBO
durante la Puesta en Marcha y Operacion del
RAP-100(CH) ”El Tejar”.
Figura 3b: Curva de Eficiencia de Remocion de DQO
RAP-100(CH) ”El Tejar”.
Los valores de DQO y DBO5 para el efluente
e influente y las eficiencias de remoción de
DQO y DBO5. Se representan en las Figuras 4.
Un análisis del comportamiento del proceso en
base a estos parámetros se realiza en los
siguientes puntos:
❏ A partir de las curvas de DQO del influente,
efluente y su eficiencia de remoción dentro
del RAP-100 “San Lorenzo”, se puede de7
BIOGAS
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ducir que existen dos periodos claramente
marcados dentro de la operación del sistema
se pueden observar claramente en las gráficas
de eficiencia.
❏ El primer periodo abarca desde el día 40
hasta el día 125 (25 de Diciembre de 1997 al
20 de Marzo de 1998). Este periodo se
caracteriza por que el influente y efluente al
RAP-100 tienen valores de DQO de 119±15
y 40±10 [mg DQO/l], respectivamente
definiendo porcentajes eficiencia de
remoción de DQO de 65±13.
❏ El segundo periodo abarca desde el día 125
hasta el día 216 (20 de Marzo de 1998 al 18
de Junio de 1998). Este periodo se caracteriza
por que el influente y efluente al RAP-100
tienen valores medios de DQO de 36 y 17
[mg DQO/l], respectivamente definiendo
porcentajes eficiencia de remoción de DQO
de 36.
Durante el primer periodo se ha verificado que
el DQO del agua residual de entrada es
relativamente bajo, 119 frente a 313 [mg.
DQO/l ], presentados en el RAP-100 “ El
Tejar”, ello se debe el agua es pre tratada en
tanque de decantación – digestión:
❏ A pesar de ello las eficiencias de remoción
de DQO se han mantenido cercanas al 65%
durante este periodo, demostrado que el
RAP-100 puede tratar aguas residuales
bastante diluidas con cargas orgánicas
tan bajas como 100 mg. DQO/l.
❏ Durante este periodo se ha notado actividad
metanogénica, burbujeo y “explosiones” de
biogas hasta la cámara número 5, lo cual
puede ser un indicativo de que para aguas
residuales de 100 mg DQO/l, se requiere la
mitad de la capacidad instalada del RAP100.
El segundo periodo se ha caracterizado por
cargas orgánicas del agua residual cruda,
extremadamente bajas y poca y ninguna
actividad metanogénica en el RAP-100, la
cual se explica por las pequeñas cantidades de
sustrato presentes en el agua residual, el cual
no es suficiente para mantener la flora
metanogénica: Las causas para la
extremadamente baja carga orgánica del agua
residual antes de entrar en el RAP-100, se
pueden explicar en la reducción de su caudal
8
de agua residual (por la época de estío) y el
incremento del tiempo de retención del agua
residual doméstica dentro del tanque de
decantación – digestión, lo que permite mayores
eficiencias de remoción en este sistema.
Figura 4a: Curva de Eficiencia de Remocion de DBO
RAP-100(CH) ”San Lorenzo”.
Figura 4b: Curva de Eficiencia de Remocion de DQO
RAP-100(CH) ”San Lorenzo”.
Comportamiento de los materiales del RAP-100:
El comportamiento de los materiales y el diseño
del RAP-100, luego de casi dos años de
operación se puede resumir en los siguientes
puntos:
❏ Se ha notado una cierta tendencia a la
obturación de las rejas y llenado rápido del
desarenador. Se ha observado también que
el desarenador acumula una cantidad
relativamente grande (mas que arena) de
semillas pequeñas y cáscaras de legumbres
de difícil digestión.
❏ El vertedero construido en fibrocemento ha
demostrado un comportamiento muy satisfactorio y su mantenimiento ha requerido
muy poca atención.
BIOGAS
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Figura 5: Section del RAP-100, VD = 34 m3.
❏ En los periodos de lluvia se ha observado
que el by pass protege eficientemente al
sistema de las sobre cargas hidráulicas.
❏ La cámara de hidrólisis (primera cámara del
RAP-100), la cual tiene el doble de volumen
que el resto de las cámaras, retiene la mayor
parte de los sólidos. En la superficie de esta
cámara se ha observado la formación de una
nata gruesa, consistente y auto controlable,
probablemente porque en ella se establece
un equilibrio entre la materia orgánica
estructurada (acumulada) y la velocidad de
su hidrólisis.
❏ Los deflectores de fibrocemento han
demostrado ser un material apropiado para
construcción de RAP-100, debido a que no
sufren deformaciones importantes; el
fibrocemento es un material relativamente
barato y fácil de instalar; es fácil de sellar y
de fijar en la estructura de cemento; soporta
gradientes hidráulicos de mas de 30 cm
entre cámara y cámara.
❏ Se ha observado que luego del año de operación los tubos de PVC del RAP (by –pass,
desarenador, etc.) expuestos a los rayos del
sol están seriamente deteriorados y con
roturas, lo cual indica que es necesario aplicar
algunas medidas para su protección.
Conclusiones y Recomendaciones
❏ La puesta en marcha de los RAP-100 se
puede lograr en periodos de 40 a 60 días,
para aguas residuales con cargas bajas y
medianas ( 120 y 320 mg. DQO/l).
❏ Para aguas residuales domésticas entre 120
a 320 de DQO estos sistemas pueden
desarrollar eficiencias de remoción entre 65
a 75%.
❏ Para aguas residuales de baja carga cercanas
a 120 mg de DQO (o aguas residuales pre
tratadas en un tanque decantación –
digestión), un RAP-100 con tres o cuatro
horas de TRH (cinco cámaras), podría ser
suficiente para reducir el DQO a límites
aceptables.
❏ Un hecho bastante destacable es el volumen
ocupado por los lodos dentro del RAP-100,
el cual está alrededor del 12.3%, con
eficiencias de remoción de materia orgánica
cercanas al 75%, en contra del 50% de
volumen ocupado por el lodo en un UASB,
este hecho sugiere que es posible optimizar
mas aún el volumen de un RAP-100.
❏ Para la aplicación de un RAP-100 a escala
real en el área rural, se podría tener bastantes
limitaciones para la realización de un control
normalmente aplicado en plantas piloto
(alcalinidad, pH, acidez, eficiencias de
remoción, etc.), para ello se anotan a
continuación algunas pautas preliminares,
para el control visual del proceso
fermentativo de una planta RAP-100:
❏ En un RAP bien operado no se debería
observar la proliferación de vectores.
❏ En la superficie de todas las cámaras se
debería observar explosiones de gas y
lodo en forma mas o menos continua.
❏ Las burbujas de biogas deben ser mas
pequeñas y dispersas (como en un vaso
de refresco carbonatado) que grandes y
localizadas.
❏ El lodo que sale a flote, debería sedimen
tarse inmediatamente, luego de liberar el
gas.
9
BIOGAS
FORUM
❏ No se debería sentir malos olores a mas
de 10 metros a la redonda del RAP-100.
❏ Tanto el lodo como el agua residual
tratada no deben atraer insectos (moscas).
❏ Respecto a la formación de natas o costras
en las cámaras se puede afirmar:
❏ En la primera cámara la formación de
natas de espesor auto controlable es
ventajosa para acelerar la hidrólisis y
evitar la propagación de malos olores.
❏ En las cámaras intermedias la formación
de natas de espesor auto controlable no
supone probablemente ventajas ni desventajas.
❏ En las últimas cámaras la ausencia de
natas es deseable para garantizar la
calidad del efluente.
❏ El costo de implementación de estos sistemas
se puede estimar de acuerdo a la siguientes
ecuación: C[$US]=1178*V[m3]0.4838. Los
costos de proyección y puesta en marcha
pueden estar entre un 20 a un 30% del costo
de implementación.
❏ Estos sistemas pueden llegar a costar menos
del 60% que un tanque Imhoff y una laguna
de tierra; igual que un tanque de sedimentación; menos de la mitad de filtro aerobio y
de seis a diez veces menos que un sistema de
lodos activados.
❏ Puede ocupar un área igual a un tanque
séptico, tanque de sedimentación, filtro
aerobio o anaerobio o un sistema de lodos
activados y un 4% del área de una laguna de
oxidación.
❏ Es dos o tres veces mas eficiente que un
tanque Imhoff y un tanque de sedimentación
e igual que una laguna, un filtro aerobio y un
poco menor que un sistema de lodos
activados.
❏ Su construcción se puede realizar con
materiales disponibles en el mercado local y
con mano de obra medianamente calificada.
❏ Su baja profundidad y su forma rectangular
y/o base cónica truncada (forma opcional
que se le puede dar a estos sistemas), le
confieren una geometría ideal para la
aplicación de la tecnología de ferro cemento, con lo cual se logra una reducción
de los costes constructivos hasta un 50%.
10
❏ Requiere un mínimo de atención (una persona, 2 o 3 horas/semana).
❏ Soportan elevadas sobrecargas hidráulicas
y orgánicas, constituyéndose en una
tecnología segura y compacta.
Aplición de los RAP-100(CH) en Bolivia
Luego de una evaluación realizada por el Fondo
de Inversión Social de Tarija, el RAP-100(CH)
está siendo recomendado para su aplicación en
el área rural.
En la actualidad están bajo construcción dos
plantas a escala real RAP-100, para la Población
Rural de Entre Ríos con capacidades de 78 y
227 m3. Una de ellas está diseñada para el
tratamiento conjunto de aguas residuales
domésticas y aguas residuales de un pequeño
matadero. Ambas plantas ha venido a solucionar
tres defectos que el organismo financiador había
observado en el sistema de tratamiento de aguas
planteado originalmente para la comunidad
(tanques de decantación - digestión): dificultad
de construcción por los elevados niveles freáticos
de la zona, bajas eficiencias de remoción “30%”
y elevados costos (los costos de proyección,
construcción y puesta en marcha de los sistemas
RAP-100(CH) alcanzan solo el 60% de los
sistemas planteados originalmente).
Varios gobiernos municipales de pequeñas
poblaciones de la región tienen proyectados
aplicar tanques de decantación - sedimentación,
sin embargo al igual que la Municipalidad de
Entre Ríos están considerando seriamente la
implementación de los sistemas RAP-100,
debido a los costos mas bajos y mayores
eficiencias.
Agradecimientos
El autor del trabajo, agradece al Fondo Nacional
para el Medio Ambiente “FONAMA”/Cuenta
Ambiental “Iniciativa para la Américas”, por
el apoyo financiero prestado a través del
proyecto PROMADE 9A/04e/04-02.
Richard Ivan Medina Hoyos
Universidad Autónoma Juan Misael Saracho
Planta Piloto de Procesos Microbiológicos
Anaerobios Depurativos de Aguas Residuales
PROMADE, Casilla 51;
Fax: 66- 43403; Cell: 01861327
Tarija-Bolivia.
BIOGAS
FORUM
Referencias
summary and commentary
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Residuales. U.A.J.M.S.
English Summary (by BORDA): Anaerobic Baffled Reactor RAP100
The article describes a performance study on two RAP-100 baffled reactors of 30 and 35 m3 (1000
and 1200 inhabitants) capacity after one year of operation. The reactor designs were based on
the experience of an earlier laboratory scale experiment (described in BIOGAS FORUM No.
66, 1996/III). One reactor (El Tejar) was fed with pure city sewage (flow 0,8 to 1,3 l/sec), the
other (San Lorenzo) with a mix of domestic and slaughterhouse wastewater (flow 0,8 to 1,3 l/
sec). A rainwater by-pass prevents the reactor from hydraulic overloading. The total system
consists of a sedimentation chamber for pre-treatment and an cascade aerator for post-treatment
(Fig.1). Final treatment could be done by polishing ponds. After a starting phase of 40 to 50
days, BOD removal rates of approximately 75% can be expected from the anaerobic baffled
digester at hydraulic retention times of 8 h, at temperatures between 17 and 22°C.
Inflow COD was in the range of 313 mg/l on average, outflow at 89 mg/l; inflow BOD5 was
247 mg/l on average, outflow at 59 mg/l. Variations were about ± 25%. The results matched well
with earlier laboratory tests. Beside CDO and BDO, organic acids, alkalinity, pH and a buffer
factor were analysed during the study.
The reactors consist of 10 chambers. The first (acidification) chamber could be made wider. It
is suggested to use the last chamber as post settler, which could also be wider. A reactor of five
chambers and 4 hours HRT are said to be sufficient for pre-treated wastewater of lower strength
(120 mg/l CDO). Simple construction methods and locally available material make the RAPdigester extremely economic (60% of an Imhoff tank). Fibre-cement slabs are suitable for
partition walls. Cost may be calculated for Bolivia by using the formula C (cost in US$) =
1178 * V [m≈]-0,4838.
Although the digesters are open at the top, no flies or mosquitoes were attracted, bed odour was
minimal, also. Based on that good experience two reactors of 78 and 227 m3 are in the planning
stage.
Commentary
The RAP100, or better known as baffled reactor, in my opinion, is the most important recent
development for decentralised small scale wastewater treatment systems. There seems to be an
economic limit in height (and therefore as well in volume) because the upstream velocity should
be kept within a certain limit. This might be the reason that so little research has been done on
that system. However, much more research and development is required and demanded because
of the potential to solve wastewater problems at decentralised locations. The baffled reactor is
highly efficient, robust in performance and operation, easy to be constructed and of low cost,
especially for small scale applications. The RAP100 baffled reactor has the potential to replace
the septic tank as the most common small scale pre-treatment system. For that reason it should
be promoted and at the same time more research should be financed for the objective to optimise
and standardise this truly appropriate reactor.
Ludwig Sasse, BORDA
11
BIOGAS
FORUM
Biogas Production by using Different
Mixtures of Animal Wastes
Abstract
Two batch biogas digester systems were used
in laboratory experiments to study the effect of
different animal waste mixtures [mixture I
(100% cattle dung), mixture 2 (100% poultry
droppings), mixture 3 (75% cattle dung and
25% poultry droppings), mixture 4 (50% cattle
dung and 50% poultry droppings), and mixture
5 (25% cattle dung and 75% poultry droppings)] on biogas production at two different
fermentation temperatures.
The results indicated that biogas production
from mixture 4 at 35°C was 27.5 %, 26.9%,
14.4%, and 16. 1 % higher than those for
mixtures 1, 2, 3, and 5 respectively, while it
was 11.6%, 24.5%, and 6.4% higher than that
from mixtures 1, 2, and 3 at 55°C respectively.
The results also showed that the fermented
sludge can be applied to farm land directly or
it may be used after appropriate treatment as an
excellent fertilizer and soil conditioner, or as
animal fodder additive.
Introduction
Energy from biomass assumed great
importance owing to energy crisis and short
supply of other resources. Routing biomass,
including animal wastes, through biogas plant
digester not only results in the generation of
clean fuel ( biogas) but also produces nutritionally rich organic manure (slurry) for application in cropping (Singh and Maheshwari,
1995). The role of organic manure is very
important for sustainable agriculture, as it not
only supplies the nutrients, but also improves
the soil structure for better plant growth. It may
be also considered a good source of micro
12
nutrients for the plant growth (Singh et al.,1995).
With the increase in cost of inorganic fertilizers,
the biogas plant digested slurry can be used as
a good alternative to chemical fertilizer (Dahiya
and Vasudevan, 1986, and Chorp, 1991). The
digestion includes other environmentally sound
benefits, including the reduction or elimination
of pathogens, depending upon temperature of
digester (Ewida, 1992).
The anaerobic decomposition of any complex
organic substance is basically a two-stage
process. In the first stage, the complex organic
materials are decomposed by acid formation
bacteria into organic acids with the production
Of CO2. In the second stage, these organic
acids are acted on by bacteria known as methane
former to produce CH4 and CO2 (Ranzo,1977).
Anaerobic fermentation requires an ambient
temperature of between 3°C and approximately
70°C. Differentiation is generally made between
three temperature ranges: psychrophilic (below
20°C), mesophilic (20 – 40°C), and thermophilic
(above 40°C). The metabolic activity of the
bacteria normally increases with temperature
(GTZ, 1985).
Biogas containing between 60 and 70 % methane
is a desirable form of energy for static installations. Its calorific value is up to 25000 kJ
/m3. It also has a high Octane rating (resistance
to knocking) which makes it a suitable fuel for
internal combustion (Picken, 1983). Because of
its value, such biogas can be used in a similar
manner to natural gas or town gas (Orth, 1983).
The main feed for biogas plants is cattle dung
which is not available in sufficient quantity for
the majority of the biogas plants. Parsons (1986)
found that anaerobic digestion of cattle slurry
with present technology has no economic value
BIOGAS
FORUM
when considered only as a source of energy.
To cope up with this problem, there is a need
to evaluate the biogas yield potential of other
available organic wastes. Poultry manure is
one of such organic wastes which could be
used in the biogas digester to increase its
economic value.
This study aims to investigate the possibilities
of using various mixtures of cattle dung and
poultry droppings at two different fermentation
temperatures to increase the energy production
from pilot biogas plant.
Materials and Methods
This experiment was carried out in the
anaerobic laboratory of (Fachhochschule,
Giessen–Friedberg, Germany) in two fermentation systems, each system was constructed
as a laboratory scale pilot plant (batch
digesters). The first one as shown in figure (1),
consists of 4 glass bottles (0.5 L capacity),
while the second is 6 glass bottles (2 L capacity),
figure (2).All glass bottles were used as
fermenters. The digesters of each system were
placed in a water tank which keeps the slurry
temperature thermostatically at 55°C and 35°C
in the two systems respectively.
The poultry manure used in this experiment
was collected from a pit under caged layinghens at Erdbach, Germany, while the cattle
dung was collected from the cattle stable located
at Lich, Germany. About 75 - 80% of each
digester volume in the two systems was filled
with starter (20 - 30 day old of cattle slurry) and
sludge to prevent pressure on the gas piping
from possible foaming. The poultry fresh
droppings were diluted with water (1 part
droppings to 2 parts water by weight). The
total solid concentration of the samples ranged
from 7.8 to 9.4 % while the pH ranged from 7.1
to 7.2.
1- Stirring motor.
3- Water tank.
5- Sitirring rod.
2- Heater with thermostat.
4- Slurry container.
Fig. 2: Schematic diagram of laboratory digester system
used at 35°C (mesophilic process)
The following samples of sludge were tested to
determine the suitable cattle poultry waste
ratios to increasing the methane production in
animal farms:
Mixture 1: 100% cattle dung.
Mixture 2: 100% poultry droppings.
Mixture 3: 75% cattle dung and 25% poultry
droppings.
droppings.
droppings.
Fig. 1: Schematic diagram of laboratory digester system
used at 55°C (thermophilic process)
The slurry in the first system was stirred
mechanically (80 rpm.) by a timer for 15
minutes every hour, while in the second one it
13
BIOGAS
FORUM
was mixed four times daily by manual shaking,
and digestion was carried out for 30 days.
The daily gas production was recorded at
atmospheric pressure and room temperature in
the first system by gas counter, while by saline
displacement technique in the second one,
then it was converted to standard conditions
(0°C and 1.013 bar) as mentioned by Gosch et
al. (1983) using the following equation:
Vtr = Vf ( 273.15 (P1 - P2 - P3)) / ((273.15 + T)
x 1013)
where:
Vtr = Volume of dry gas under standard
conditions.
Vf = Volume of wet gas at pressure P and
temperature T.
P1 = Air pressure at temperature T.
P2 = Pressure of wet gas at temperature T.
P3 = Saturation steam pressure of water at
temperature T.
T = Temperature of wet gas in °C.
Although biogas produced during the anaerobic
fermentation of wastes contains methane,
carbon dioxide, hydrogen, hydrogen sulfide,
nitrogen and oxygen, the relative proportions
of methane and carbon dioxide are normally of
most concern, and the easiest to determine
because of the relatively high percentages of
these gases. Gas analysis were performed for
composition every 2 days during the biomethanation of cattle dung and its mixtures with
poultry droppings The ratio of CH4 and
CO2 (%) were determined by using the Orsat
apparatus.
Solids concentration and volatile solids analyses of the fresh and treated substrate were
performed by drying oven at 105°C for 24
hours and then in muffle furnace for 3 hours at
550°C.
Chemical analysis of the fresh and treated
substrate was carried out according to the
German Standard Method (Deutsches Einheitsverfahren, 1971).
Results and Discussion
The initial characteristics of the different
mixtures used during the investigation are
listed in table (1). The chemical composition
14
and final characteristics of the different feed
mixtures after fermentation are given in table
(2). Chemical analysis of the obtained data
showed that the fermented sludge is rich in
potassium and phosphate (Table 2). The
analysis showed also that the value of Kjeldahl
- N ranged from 3910 to 4592 mg / L. In other
words one may say that these values indicate
that this sludge is rich in N,P,K and may be
considered as an excellent fertilizer and soil
conditioner, as feed for animals and as substrate
for plant growth.
Tab. 1: The initial characteristics of different mixtures.
Constituent
Mixture
I
Mixture
2
Mixture
3
Mixture
4
Mixture
5
Total solids
%
9.4
7.8
9.0
Volatile solids
%
79.41
77.15
78.87
77.65
78.52
pH
7.24
7.16
7.14
7.20
7.08
Kjeldahl – N
mg/L
3905
4829
4030
4206
4586
8.4
Results illustrated in figures (3) and (4) show
the biogas produced at different time intervals.
The results indicate that the rate of gas
production is much greater in the thermophilic
process (55°C) than that in the mesophilic
process (35°C). This is in line with that offered
by Savery and Cruzan (1977), who reported a
greater methane production at the thermophilic
range than that at the mesophilic range when
using a batch reactor. The obtained results
were also in line with that of Karkkainen and
Elmahgary (1988) who found that increasing
the temperature in the digester increases the
rate of bacterial activity both in the mesophilic
and thermophilic temperature ranges, increases
methane yield and decreases the fermentation
time of the substrate in the digester.
The results indicated also that for both digester
systems (Figures 3 and 4) the rate of gas
production started to increase up to the eighth
day, to reach its greatest value between the
eighth and fourteenth days, then started to
taper off till the end of the experiment. The
total biogas productions during this study in
the thermophilic process (Figure 3) were 210.1,
198.2, 220.3, and 234.4 litres per kilogram
initial solids for mixtures 1, 2, 3, and 4
BIOGAS
FORUM
Fig. 3: Cumulative biogas production of the different
mixtures at 55°C.
Fig. 4: Cumulative biogas production of the different
mixtures at 35°C.
Fig. 5: Methane content of the different mixtures at 55°C.
respectively, while in the mesophilic process
(Figure 4) they were 167.4, 168.3, 186.6, 213.5,
and 183.9 litres per kilogram initial solids for
mixtures 1, 2, 3, 4, and 5 respectively because
the generation time in thermophilic bacteria is
shorter than that in mesophilic one.
It can be seen that as the concentration of
poultry droppings increased above 50% the
total accumulated gas production decreased.
Figures (5) and (6) show the effect of fermentation temperatures on methane content at different mixtures. The results in Figure (5)
showed that the concentration of methane in
the biogas (thermophilic process) varied
between minimum values of 61, 50, 59.4, and
61.8 percent to maximum values of 66.9, 69.6,
66.3, and 65.5 percent for mixtures 1, 2, 3, and
4 respectively, while in mesophilic process it
varied between minimum values of 57.5, 50.5,
58.7, 57.0, and 53.0 percent to maximum values
of 66.3, 67.0, 66.1, 65.5, and 67.3 percent for
mixtures 1, 2, 3, 4, and 5 respectively. These
results are in accordance with Chen et al.
(1985) who found that the small amounts of
CH 4 produced during the first week of
fermentation were probably the results Of CO2
reduction rather than of acetate cleavage with
reduction of the methyl group.
In general, there is no apparent difference of
methane content between the thermophilic and
mesophilic processes for the same fermented
mixtures.
Changes of volatile solids during the anaerobic
fermentation of different mixtures for biogas
production are illustrated in figures (7) and (8).
Fig.6: Methane content of the different mixtures at 35°C.
Tab. 2: Chemical composition and final characteristics of feed mixtures under different fermentation temperatures.
Mixture 1
Mixture 2
Mixture 3
Mixture 4
Mixture 5
Constituent
35° C
55° C
35° C
55° C
35° C
55° C
35° C
55° C
35° C
Total solids
%
Volatile solids
%
7.0
7.7
3.2
3.1
6.2
6.8
5.2
4.2
2.8
72.62
73.59
61.30
63.58
69.07
72.47
68.94
68.73
62.09
pH
7.88
8.36
8.29
8.67
7.94
8.50
8.07
8.57
8.15
Kjeldahl – N
mg/l
Potassium
mg/g
Phosphate
mg/g
4063
3910
4592
4438
4150
4052
4291
4294
4563
40.82
39.96
27.14
26.29
35.18
35.18
32.80
31.68
30.30
9.2
9.0
20.7
16.8
12.8
10.5
13.4
11.7
16.4
15
BIOGAS
FORUM
Volatile solids decreased due to destruction of
organic material to produce biogas. Volatile
solids decreased in thermophilic process by
variable percentages ranging between 7.3%
and 17.6%, while in mesophilic process they
ranged between 8.6% and 20.9%, as losses of
the original values.
The results indicated that pure poultry droppings (mixture 2) showed the maximum loss
rate of volatile solids at both thermophilic and
mesophilic processes, while mixtures 4, 3, and
1 followed respectively in thermophilic process, and mixtures 5, 3, 4, and 1 followed in
mesophilic process respectively. These results
may be due to the chemical and physical
properties of the digested mixtures and fermentation temperatures.
Acknowleddgments
The financial support provided by Deutscher
Akademischer Austauschdienst (DAAD) to
under-take this research work is highly
acknowledged.
EL - Hadidi Y. M. Assoc. Prof. Dr.
Agric. Mech. Dept., Faculty of Agric.,
Mansoura Univ.,Egypt.
and
H. Seufert, Prof.Dr., and Director
of Institut fuer Landtechnik,
Giessen University, Germany.
References
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kinetics of anaerobic bacteria during batch fermentation”
Winter Meeting of ASAE. 17-20 December 1985.
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slurry application”. Indian Farming. 41(4): 35 - 36.
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and practice of biogas systems”, The 2nd. 1st. Conf. on Env.
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Fig.7: Biogas production and percentage of volatile
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Orth, H. W. (1983) “Various of gas and their influence on the
design of an anaerobic digestion process” Biomethane
Production and Uses, Eng. Sec. 3-5.
Fig. 8: Biogas production and percentage of volatile
solids reduction of different mixtures at 35°C.
Finally, it can be said that for biogas
production poultry droppings could be used
with cattle dung up to a concentration of 50%
at mesophilic or thermophilic processes. At
this concentration biogas productions were at
35°C 27.5%, 26.9%, 14.4%, and 16.1 % higher
than those for mixtures 1, 2, 3, and 5 respectively, while they were 11.6%, 24.5%,
and 6.4% higher than that for mixtures 1, 2,
and 3 at 55°C respectively.
16
Parsons, D. J. (1986) “The economics of the treatment of dairy
cow slurry by anaerobic digestion” J. Agric. Engng. Res. 35:
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“Effect of biogas digested slurry on Pea, Okra, Soybean and
Maize” Biogas Forum, Borda, No.65:4 - 7.
BIOGAS
FORUM
events
May 1999
Water Africa 99
30 May - 2 June1999, Cairo, Egypt
Contact:
Tracey Nolan, African Conferences & Exhibitions
Ltd, 37 Upper Duke Street, Liverpool L1 9DY, UK.
Tel: +44 151 709 9192
Fax: +44 151 709 7801
E-mail: [email protected]
June 1999
Copenhagen Waste and Water Conference ‘99
1-3 June, Copenhagen, Denmark
Contact:
Mr Finn Ørssleff, Rendan A/S, Gladsaxevej 376,
DK-2860 Søborg, Denmark.
Tel: +45 3966 1200
Fax: +45 3966 1600
Managing the Wastewater Resource: Ecological
Engineering for Wastewater Treatment
7-11 June 1999, Ås, Norway
Contact:
ECOENG99 Conference
The Agricultural University of Norway,
PO Box 5065, N-1432 Ås, Norway.
Tel: +47 6494 8430
Fax: +47 6494 8435
Advanced Course on Environmental Biotechnology
16-25 June 1999, Delft, The Netherlands
Contact:
Dr Ir L A van der Meer-Lerk
Institute for Biotechnology Studies Delft Leiden
(BODL), Kluyver Laboratory, TU Delft
Julianalaan 67, 2628 BC Delft, The Netherlands
Tel: +31 15 278 1922
Fax: +31 15 278 2355
4th Annual Landfill Symposium
28-30 June 1999, Denver, USA
Contact:
SWANA, Attn: Scott Settar
PO Box 7219, Silver Spring
MD 20907-7219, USA
Tel: +1 301 585 2898 ext 257
Fax: +1 301 589 7068
July 1999
AIEPS’99 - Incorporating Fourth Southern
Africa Anaerobic Digestion Symposium
4-8 July 1999, Pietermaritzburg, South Africa
Contact:
Dr Richard A Daneel
Soil & Pollution Research Services cc, Suite 101
Postnet X6, Cascades, 3202, South Africa
Tel: +27 331 962696
Fax: +27 331 962696
E-mail: soil&[email protected]
2nd International Symposium on Anaerobic
Digestion of Solid Waste
15-18 June 1999, Barcelona, Spain
Contact:
II-ISA-SW, Apdo. Correos 30124
E-08080 Barcelona, Spain
Tel: +34 629 920591
Fax: +34 619 751 180
or Professor Joan Mata-Alvarez
Department of Chemical Engineering
University of Barcelona
Marti i Franques 1,Plta. 6
E-08028 Barcelona, Spain
Tel: +34 934 021 305
Fax: +34 934 021 291
17
BIOGAS
FORUM
Ludwig Sasse: Retirement
Dear Readers, Colleagues, Friends,
after being associated with BORDA for more
than 20 years I will retire at the end of March
1999. I am proud that with the help of donors
and colleagues I could edit over 75 issues of
the BIOGAS FORUM in those years. It had
been a good time and I leave my work and my
colleagues with warm and friendly feelings. A
new generation will take over and I wish them
as much pleasure and satisfaction in their work
as I had in mine.
Three years ago I introduced a new colleague
to a project in one of the big Asian countries.
After he had seen me acting the first day, he
said: “You remind me of those old colonialists
I met in Africa who are frustrated but cannot
stop being in Africa”. At that day, I knew that
I should stop working in developing countries.
I don’t mind to be old, but I do mind to behave
like a colonialist. Please forgive me, when you
are among those who experienced me that
way. That I felt always being on the same level
with my partners may be the only excuse for
my impatience.
One day a group of Indonesian students gave
me a farewell party. They said it is habitual in
their culture to say a word of advise to the ones
who stay behind. I cannot remember what I
said that time, but I have been thinking of what
I should say to you. This is my “legacy” after
37 years being a civil engineer, first in Germany
then in Africa and Asia, as well:
People may act irrational or even stupid in my
eyes, but never in theirs. So people who act
stupid or irrational in my eyes see something I
have overlooked. If I apply this to an
unexpectedly bad performing wastewater
treatment plant, as well as to a farmer who
insisted not wanting a biogas plant at all, one
may say:
“Anything unexpected or not understood is an
indicator of insufficient information”
18
Guided by that idea, I tried to overcome
prejudice by curiosity instead of know-it-all.
Although often I may not have met my own
standards, I wish to encourage you to apply
that approach in your work.
All my technical experience may accumulate
in the truly wise statement which says:
“Any structure is senseless where it does not
make sense”
and all my frustration as an engineer may be
highlighted by reminding development activists
of the fact that
“Marketing and propaganda as well as political
and social activism must be based on sound
technical hardware”
and one last thing
“Knowing the mechanism of corruption is
extremely important in an engineer’s work”.
Students learn the very first day in college the
abbreviation of “CIVIL”, namely “Corruption
Is Very Important in Life”. Indeed, corruption
is everywhere, either illegal or legalised, the
engineer cannot wait until corruption has gone
forever. I hate corruption, I specially hate
corrupt people, but as an engineer I have to
consider the mechanism of corruption a
planning parameter amongst others.
Having now fulfilled the duty of giving my
farewell advises, I say good bye. I knew always
that there is more to a man’s life than his
professional work. So I am looking forward to
repair and modify my old house, to enjoy my
grand children and to have more time for
painting. This reminds me of No.33/1988 of
the FORUM in which I placed an article :”The
art of Biogas Programmes”. One of the
illustrations of that time shall beautify the
FORUM once more.
Ludwig Sasse
BIOGAS
FORUM
Biogas Survey 1988
From the sketch-book of Jatindra Mohapatro and Pramod Mohanty
19
BIOGAS
FORUM
news
’98 Global Forum on Biogas
Technology was held in China
On September 20 to 21 a global forum on biogas
technology was held at BRTC in Chengdu, Sichuan
Province of China. 27 participants from 17 countries
and some BRTC staff attended the forum on
invitation of BRTC and its facilitator Mr. Wu Li
Bin. Financial assistance was given by the Ministry
of Foreign Trade and Economic Relationship of the
Peoples Republic of China.
The forum was one of those important events which
bring people together for discussion, who otherwise
work on their own without having colleagues to
help them to elaborate solutions in their specific
environment.
The participants had different backgrounds and
represented a wide range of levels of experiences.
Each country’s activities were briefly presented in
written and red form. No recommendation were
passed, but Mr. Wu Li Bin expressed his hope at the
closing ceremony by saying that “may the spark of
biogas forum in BRTC ignite more flame for
sustainable development internationally”.
CD-ROM on Biogas
Dr. E.-J. Nyns, retired professor of bio-engineering
at the Catholic University of Louvain has compiled
27 000 references on biogas on a CD-ROM with
retrieval possibilities which is available at cost
price (including postage) at EURO 20 (US$ 25)
from the author himself via Catholic University of
Louvain, Bioengineering Unit, Place Croix du Sud,
2/19, B-1348 Louvain-la-Neuve, BELGIUM,
Phone: +32 10 47 36 13, Fax : +32 10 47 30 62, email:([email protected]). Payment can be made
by eurocard, visa, mastercard or euro-cheque.
Partners in a previous EC project for setting up a
biogas data bank include also Solagro and Aria,
Toulouse, France and Steinmuller Valorga, France
and Germany. The CD-ROM was set up by Bertran
de la Farge. The present thesaurus 001 will be
progressively updated.
Thesaurus 001 contains numerous references not to
be found in the major data banks, reports, proceedings, brochures. The references originate from all
over the world. It concerns biogas and landfill gas,
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