Valorization of secondary sludge by hydrothermal carbonization coupled with anaerobic digestión
- Autores: John Alexander Villamil Martínez
- Directores de la Tesis: M. Ángeles de la Rubia Romero (dir. tes.), Ángel Fernández Mohedano (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2019
- Idioma: inglés
- Número de páginas: 210
- Tribunal Calificador de la Tesis: Juan Jose Rodriguez Jimenez (presid.), Montserrat Tobajas Vizcaíno (secret.), Daniel Melchor Puyol Santos (voc.), Francisco Raposo Betines (voc.), Miller Alonso Camargo Valero (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Química Aplicada por la Universidad Autónoma de Madrid
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
- Resumen
La carbonización hidrotermal (CHT) es un proceso termoquímico que permite convertir residuos orgánicos en un char con alto contenido en carbono. El proceso se lleva a cabo en presencia de agua, independientemente del contenido en humedad del material de partida. La principal ventaja del proceso CHT radica en poder utilizar el material a carbonizar sin necesidad de un secado previo, lo que requeriría el empleo de gran cantidad de energía, como ocurre en la pirólisis y en la torrefacción.
Actualmente una gestión aceptable de los lodos de EDAR tanto desde el punto de vista económico como ambiental resulta complejo, debido al rápido aumento de producción, como resultado de la implementación de la Directiva 1991/271. Además, se requiere el cumplimiento de la legislación en materia de residuos (Directiva 1999/31 de depósito en vertederos y Directiva 2000/76 de incineración). Por otro lado, muchos agricultores son reacios al empleo de lodos en agricultura y, además, la Comisión Europea ha comenzado el proceso de implementación de nuevas Directivas que recogen normativa en materia de microcontaminantesy requerimientos de higienización de los fangos de depuradora.
En el presente trabajo se estudia la CHT del lodo secundarios de depuradora deshidratados (LSDD) como una nueva vía de gestión de este residuo mediante la producción de un material carbonoso (hidrochar), así como su potencial aplicación como precursor de carbones activos mediante activación física o química. Además, la fracción líquida (agua de proceso) se valoriza mediante digestión anaerobia para recuperar energía en forma de metano, con la intención de implementar la economía circular en la gestión de los lodos de depuradora.
En el Capítulo 3 se estudia la producción de hidrochar, empleando un diseño central compuesto para evaluar el efecto de la temperatura (140-220 ºC) y el tiempo de carbonización (0,5-4 h) sobre las propiedades fisicoquímicas de los hidrochars obtenidos. Mediante CHT se alcanzaron áreas superficiales cercanas a 25 m2/g, con una importante contribución mesoporosa, empleando temperaturas de carbonización superiores a 180 ºC. El poder calorífico superior se situó en el intervalo 19,1-22,3 MJ/kg, valores ligeramente superiores a los del lignito. En cuanto a la activación con aire (300-450 ºC), el área superficial disminuyó al aumentar la temperatura, alcanzando un valor en torno a 100 m2/g en el mejor de los casos. La activación química con K2CO3, KOH, FeCl3, y ZnCl2, empleando temperaturas de 650 y 850 ºC, permitió el desarrollo de área superficial en el intervalo entre 410 y 1030 m2/g, con una significativa contribución de meso (0,079 0,271 cm3/g) y microporosidad (0,136-0,398 cm3/g). Los resultados obtenidos respaldan la aplicación de la carbonización hidrotermal de lodo secundario de depuradora como precursor de carbones activados de bajo coste con un importante desarrollo superficial.
El Capítulo 4 se centra en la valorización de la fracción líquida (FL) generada en la CHT de LSDD mediante digestión anaerobia en ensayos en discontinuo. La sección 4.1 estudia el efecto de la concentración inicial de inóculo (CI; 10 y 25 g DQO/L) y la relación inóculo-sustrato (RIS; 0,4, 0,5, 1 y 2 en base a DQO) en las variables más importantes durante el proceso de digestión, como pH, alcalinidad, concentración de ácidos grasos volátiles (AGVs), nitrógeno amoniacal, DQO y potencial de metano. La fracción líquida obtenida en los ensayos de CHT presentó un elevado contenido en materia orgánica (DQO soluble de 95,5 g O2/L) y nitrógeno total Kjeldahl (NTK de 8,7 g N/L). Para una RIS inferior a 1 e incluso superior en el caso de emplear una CI elevada (25 g DQO/L) se observó la acumulación de AGVs y NTK, unido a una baja producción de metano. En los experimentos realizados con una elevada RIS se obtuvo una producción de metano en el intervalo de 144-177 mLN CH4/g DQOañadida, mientras que el resto de experimentos presentaron inhibición metanogénica.
En la sección 4.2 se estudia el efecto de la fuente de inóculo empleado en la digestión anaerobia de la FL de la CHT de LSDD. Así, se evaluaron tres inóculos de diferente procedencia: un lodo floculento obtenido de un digestor anaerobio de una estación depuradora de aguas residuales (EDAR), un fango granular procedente de un reactor anaerobio de lecho expandido que trata el agua residual de una fábrica de azúcar de remolacha y un reactor anaerobio mesofílico con recirculación interna que trata el agua residual de una fábrica de cerveza. Se analizó el efecto de la CI (10 y 25 g DQO/L), manteniendo para cada inóculo una RIS de 2 (en base a DQO). Al aumentar la CI de 10 a 25 g DQO/L la producción de metano aumentó un 23% en el caso del inóculo procedente de la industria cervecera (177 mLN CH4/g DQOañadida); sin embargo, se observó una disminución significativa al emplear el inóculo obtenido en la fábrica de azúcar (99 mLN CH4/g DQOañadida). La producción de metano se mantuvo constante para el inóculo procedente de la EDAR (135 mLN CH4/g CODañadida) en el intervalo de CI ensayado. Por lo tanto, el inóculo procedente de la fábrica de cerveza resultó el más adecuado para la digestión anaerobia de la FL de la CHT empleando elevadas CI.
En el Capítulo 5 se estudia la codigestión anaerobia de la FL de la CHT de LSDD con fango primario (FP) de depuradora, con el objetivo de integrar la CHT de LSDD en una EDAR. En la sección 5.1 se evalúa este nuevo concepto de gestión de los fangos de depuradora, en ensayos en discontinuo utilizando diferentes proporciones de LSDD y FP, así como ambos sustratos de forma independiente. Los ensayos se realizaron empleando dos inóculos diferentes (un lodo floculento obtenido del digestor de una EDAR y un lodo granular de un reactor anaerobio mesofílico con recirculación interna que trata el agua residual de una fábrica de cerveza). La producción de metano disminuyó al aumentar la relación FL/FP, debido a la presencia de compuestos recalcitrantes en la FL como alquenos, fenoles y compuestos aromáticos nitrogenados y oxigenados difíciles de degradar mediante digestión anaerobia. La producción de metano alcanzó valores de 248 mLN CH4/g DQOañadida empleando como inóculo el lodo floculento y una mezcla con un 25% FL, lo que supuso un aumento del 74% respecto al ensayo realizado únicamente empleando FL. Además, se consiguió una eliminación de DQO superior al 86%, con una concentración de AGVs despreciable. Para ambos inóculos, la hidrólisis de NTK aumentó al disminuir la relación de FL/FP. Los valores de producción de metano se ajustaron adecuadamente a los modelos cinéticos de primer orden, Cone y Weibull. Se observaron diferencias significativas en los valores de las constantes cinéticas obtenidas en el intervalo 0,100-0,168 d-1 y 0,059-0,068 d-1 para los inóculos floculento y granular, respectivamente.
En la sección 5.2 se estudia la optimización, mediante ensayos en semicontinuo, de la digestión anaerobia de FL y FP. Se llevaron a cabo ensayos utilizando relaciones de FL de 5 y 10% (en base a DQO), velocidades de carga orgánica de 1,5 y 2,5 g DQO/L·d, y temperaturas en el intervalo mesofílico (35 ºC) y termofílico (55 ºC). En condiciones termofílicas la codigestión de FL y FP no resultó factible, debido a la inhibición progresiva del sistema, que se pudo evidenciar por la acumulación de indol, junto con la presencia de elevadas concentraciones de AGVs y amonio. Sin embargo, la operación en condiciones mesofílicas, empleando una mezcla con un 10% FL y una velocidad de carga de 1,5 g DQO/L·d, permitió obtener una producción de metano (172±11 mL CH4/g DQOañadida), 1,15 veces mayor al control (FP como único sustrato). Por lo tanto, la CHT de lodo secundario deshidratado y la posterior digestión anaerobia de la FL generada permitió la valorización de este residuo renovable. Además, el tratamiento integrado propuesto permite obtener una producción energética (hidrochar+biogás) 4,4 superior al obtenido con la digestión anaerobia del lodo mixto.
Los lodos de EDAR son actualmente, junto con la fracción orgánica de los residuos urbanos, los dos sustratos más utilizados en procesos de codigestión. Por ello, en el Capítulo 6 se estudia la codigestión de la FL de la CHT de LSDD con FORU, mediante ensayos en discontinuo. En la sección 6.1 se analiza, en primer lugar, el efecto del pretratamiento del FORU, después de operaciones de molienda y tamizado, en la digestión anaerobia de FORU. La producción de metano de FORU después de la molienda y tamizado (diámetro 20 mm) resultó considerablemente mayor (453 mLN CH4 /g SVañadidos) que para el FORU sin pretratar (285 mLN CH4/g SVañadidos). El modelo cinético de Gompertz modificado ajustó adecuadamente la evolución de la producción de metano empleando FORU pretratado. Seguidamente, se realizaron ensayos de codigestión anaerobia de FORU pretratado y FL utilizando diferentes mezclas de ambos sustratos en base a DQO. El rendimiento en metano obtenido para la mezcla con un 25% FL resultó similar al generado empleando únicamente FORU pretratado. Los resultados experimentales de producción de metano se ajustaron adecuadamente a una ecuación de primer orden, obteniéndose valores de la constante cinética en el intervalo 0,52-0,56 d-1, independientemente del porcentaje de FL empleado, y observándose una disminución de estos valores para el experimento realizado únicamente con FL (0,44 d- 1).
Finalmente, la sección 6.2 incluye experimentos similares de codigestion de la fracción líquida y FORU realizados en esta ocasión en condiciones termofílicas. Las mezclas con menor contenido en FORU (50, 75% de FL) así como el experimento realizado únicamente con FL mostraron la acumulación de AGVs, así como una reducida degradación de materia orgánica y producción de metano. Sin embargo, la mezcla que contenía un 25% de FL alcanzó una producción de metano ligeramente inferior a la obtenida en el ensayo realizado con FORU pretratado. Los resultados experimentales se ajustaron adecuadamente al modelo de Gompertz modificado, obteniéndose la máxima velocidad de producción de metano empleando la mezcla con un 25% de FL (11,96 mL CH4/g DQOañadida·d), la cual resultó ser un 29,3% superior a la obtenida empleando únicamente FORU pretratado.
