Digestión anaeróbica de la fase acuosa de la carbonización hidrotermal de residuos sólidos urbanos mixtos

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10 de enero de 2022.

El aumento de la producción de energía renovable, combinado con la idea de los residuos como una fuente potencial de subproductos útiles, puede conducir a una gestión más sostenible y respetuosa con el medio ambiente de los residuos sólidos urbanos (RSU).

 

By Kameron J. Adams

Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, Universidad Old Dominion, Norfolk, EE. UU.

Y también debes Ben Estuardo

Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, Universidad Old Dominion, Norfolk, EE. UU.

Y también debes Sandeep Kumar

Laboratorio de Investigación de Biomasa (BRL), Clúster de Energía BCET


 

Resumen

 

En 2017, la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) informó que los estadounidenses generaron más de 268 millones de toneladas de desechos sólidos municipales (MSW). La mayoría (52%) de estos desechos terminan en vertederos, que son la tercera fuente más grande de emisiones antropogénicas de metano. Las mejoras en términos de gestión de residuos y producción de energía podrían resolverse integrando el procesamiento de RSU con carbonización hidrotermal (HTC) y digestión anaeróbica (DA) para convertir el carbono orgánico de RSU en combustibles.

 

Los objetivos de este estudio fueron (a) investigar los experimentos de HTC a diferentes temperaturas y tiempos de residencia (b) evaluar las propiedades de la fase acuosa y los sólidos, y (c) realizar una prueba de botella a escala de laboratorio de AD en la fase acuosa. Se utilizó una mezcla de diferentes materias primas que representaban RSU. HTC a 280 °C y 10 min produjo el carbono orgánico total (TOC) más alto de 8.16 g/L con rendimientos de biogás de 222 mL de biogás/g TOC. Los resultados mostraron que la DA de la fase acuosa a partir de una materia prima de RSU mixta es factible. El enfoque integrado muestra una recuperación de carbono orgánico del 58 % (hidrocarbón y biogás). Este estudio es el primero de su tipo en investigar la temperatura y los tiempos variables para una materia prima heterogénea (MSW mixtos) y evaluar específicamente la biodegradabilidad anaeróbica de la fase acuosa de HTC MSW.

 

1. Introducción

 

En 2017, la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) informó que los estadounidenses generaron más de 268 millones de toneladas de desechos sólidos municipales (MSW); 52 % (vertedero), 13 % (incinerado) y 35 % (reciclado/compostado) [1]. Los vertederos de RSU son la tercera fuente más grande de emisiones antropogénicas de metano que tienen 23 veces más potencial de captura de gases de efecto invernadero que el CO2. Las mejoras en términos de gestión de residuos y producción de energía podrían resolverse integrando el procesamiento de RSU con carbonización hidrotermal (HTC) y digestión anaeróbica (DA) para reducir los residuos a los vertederos y maximizar la recuperación de recursos y carbono orgánico.

 

HTC se define como la deshidratación y descarboxilación combinadas de una materia prima orgánica en agua subcrítica/medio hidrotermal para enriquecer su contenido de carbono y hacerlo comparable a los valores caloríficos del carbón de grado bituminoso (24–27 MJ/kg). La literatura informa las condiciones de operación de HTC que van desde 180 °C a 320 °C en función de diferentes materias primas que producen tres productos principales y rendimientos promedio de productos; hidrochar "carbón verde" (45–70 %), fase acuosa (5–25 %) y gases que son principalmente CO2 (2–5%) [2]. HTC se observa como una técnica escalable para convertir biomasa húmeda (por ejemplo, RSU) en combustibles sólidos ricos en carbono. HTC ofrece muchas ventajas como uno de los procesos más eficientes para la fijación de carbono en combustibles sólidos para una materia prima húmeda en un tiempo de residencia corto; sin embargo, la recuperación de calor y el reciclaje de la fase acuosa (con 20–45% de carbono orgánico total (TOC)) son esenciales para su viabilidad de conversión de residuos en energía.

 

Estudios previos [2,3,4,5,6] han demostrado que la fase acuosa de HTC puede modificarse para un tratamiento biológico posterior, como la EA. Un estudio reciente que utilizó HTC de ensilaje de maíz seguido de AD de la fase acuosa (sin ningún tratamiento previo) logró 16.3 L CH4/Kg de materia fresca húmeda, lo que demuestra aún más que la fase acuosa tiene mucho potencial para mayores rendimientos de biogás [4]. Otro grupo [3] realizaron experimentos HTC por lotes utilizando residuos agrícolas como materia prima; y calculó el potencial de biogás para el agua de proceso resultante (fase acuosa) después de HTC. Para la fase acuosa, informaron TOC (12–26 g/L) y pH (3–5), lo que respalda la idea de que la fase acuosa tiene un gran potencial para el tratamiento posterior con AD.

 

Sin embargo, los estudios de investigación sobre la biodegradabilidad anaeróbica de la fase acuosa de HTC MSW no se han realizado [2]. Hay varios compuestos químicos presentes en la fase acuosa de HTC, como ácidos orgánicos (por ejemplo, ácido láctico y ácido acético), aromáticos y compuestos fenólicos.7]. Algunos de estos compuestos podrían recuperarse potencialmente como subproductos o procesarse más después de los pretratamientos para aumentar los rendimientos de biogás. Se proyecta que los sistemas de DA a nivel nacional reduzcan el consumo de energía acumulado en casi 15 millones de T/J y reduzcan las emisiones de GEI en 7.2 millones de toneladas de CO2 más de 50 años y se han utilizado para tratar RSU; sin embargo, no son a gran escala en los EE. UU. debido a la viabilidad económica y las desventajas, que incluyen semanas a meses de tiempo de retención de sólidos para la producción de energía de biogás [8].

 

Se han realizado menos estudios sobre flujos de residuos complejos para la gestión sostenible de residuos, pero HTC ofrece una forma innovadora de tratar las materias primas de RSU que contienen un alto contenido de humedad y carbono. Bergé et al. investigó HTC de MSW porque se ha realizado poco trabajo explorando la carbonización de estos complejos flujos de desechos para evaluar HTC como una técnica de gestión sostenible de desechos. El propósito de su estudio fue determinar la viabilidad de la carbonización hidrotérmica de flujos de desechos municipales modelo, especialmente aquellos que normalmente irían al vertedero. Sus objetivos incluyeron la evaluación de las implicaciones ambientales asociadas con la carbonización de flujos de desechos municipales representativos, la evaluación de las propiedades del hidrocarbón y la determinación de la energía de carbonización asociada con cada flujo de desechos. Un hallazgo importante fue que entre el 20% y el 37% del carbono inicial se transfirió a la fase acuosa después de HTC de materia prima mixta de RSU, que se puede recuperar para obtener energía; sin embargo, en su estudio, los experimentos de carbonización no se optimizaron y no se probó la digestibilidad de la fase acuosa [2].

 

Las ventajas de usar HTC sobre los métodos de gestión de residuos convencionales incluyen que no se requiere la separación de la materia prima, las materias primas húmedas se pueden usar sin secado y usando temperaturas más bajas y menos energía en comparación con otros tratamientos térmicos como la incineración y la pirólisis. Se ha demostrado que el tiempo de residencia AD de la fase acuosa es más rápido que la digestión convencional de sólidos (MSW orgánicos) [9]. La importancia de esta investigación es oportuna en términos de manejo de residuos sólidos y conversión de residuos en energía. HTC a escala comercial es una industria emergente con tres plantas operativas a gran escala en el mundo; el manejo de la fase acuosa es un factor importante en términos de mejora de HTC para prácticas sostenibles de gestión de residuos [10]. Si se demuestra que este proceso integrado propuesto (HTC + AD) que usa RSU es factible desde el punto de vista técnico y económico, esto podría ser monumental en términos de mitigación de muchos problemas ambientales asociados con la incineración y el vertido convencionales, como la contaminación del aire, la contaminación del agua subterránea y el vertido limitado. espacio.

 

Para comprender específicamente la composición del producto después de HTC de MSW mixtos y la biodegradabilidad de la fase acuosa de HTC MSW mientras se basa en parte del trabajo realizado por Berge et al., el propósito de este estudio en particular fue (a) investigar experimentos de carbonización a diferentes temperaturas (250 , 280, 310 °C) y tiempos de residencia (10 min, 1 h, 6 h) (b) evaluar las propiedades de la fase acuosa y del hidrocarbón (c) realizar una prueba de botella a escala de laboratorio de AD en la fase acuosa para generar datos experimentales sobre los rendimientos de biogás para entender la biodegradabilidad (Figura 1). Hay muchos estudios sobre el tratamiento hidrotermal de una materia prima de biomasa homogénea (por ejemplo, pastos, maderas, alimentos) y algunos estudios que combinan HTC y AD [3,4,9,11,12,13]. Este estudio es el primero de su tipo en investigar temperaturas y tiempos variables para una materia prima heterogénea, como el modelo de MSW mixto que normalmente iría al vertedero, y evaluar más a fondo la biodegradabilidad anaeróbica de la fase acuosa de HTC MSW.

 

Figura 1: Diagrama esquemático del flujo general del proceso.

 

Diagrama esquemático del flujo general del proceso.

 

2. Materiales y métodos

 

2.1. Materia prima

 

Se creó una mezcla de composición conocida (papel, plástico, metal, vidrio, alimentos) que representa los desechos que normalmente van al vertedero para la materia prima de HTC (base % en peso). Se simuló una mezcla de RSU utilizando los siguientes materiales y se añadió agua desionizada (DI) a la mezcla para obtener una concentración de sólidos del 20 % en peso; 45.5 % papel (papel de oficina desechado triturado), 9.6 % vidrio (botellas de vidrio trituradas), 16.4 % plástico (botellas de plástico trituradas), 17.6 % comida (gránulos de comida para conejos), 10.9 % metal (latas de aluminio trituradas) [2].

 

2.2. Experimentos de carbonización hidrotermal

 

La HTC de la materia prima de RSU mixta se llevó a cabo utilizando un reactor por lotes de alta presión de 500 ml (serie PARR 4570). La literatura informa condiciones HTC que van desde 180 a 320 °C y tiempos de residencia que van desde 5 min-12 h [14]. Las siguientes condiciones de proceso (250, 280, 310 °C) y (10 min, 1 h y 6 h) se eligieron en función de las temperaturas HTC de rango inferior (250 °C) y alto (310 °C) con un intervalo corto, medio y tiempo de residencia de larga duración, para comparar los productos finales HTC MSW y la distribución de carbono.

 

Después de preparar la materia prima de simulación de RSU mixta y agregar agua desionizada para obtener un 20 % en peso de sólidos, el experimento se llevó a cabo a 250, 280, 310 °C durante 10 min, 1 h y 6 h por triplicado. Cabe señalar que solo se corrió a 310 °C durante 10 min y 1 h. El proceso incluía una fase de calentamiento, una fase de reacción (cuando se alcanzaban las condiciones subcríticas y la temperatura deseada) y una fase de enfriamiento. Después de mantener la temperatura y el tiempo deseados en condiciones de presión autógena, el reactor se enfrió rápidamente a condiciones ambientales usando agua a través de un serpentín de enfriamiento. Una vez que tuvo lugar la reacción, la mezcla resultante se colocó en un vaso de precipitados y se midió el pH de la fase acuosa. La mezcla de productos se filtró al vacío (filtros de microfibra de vidrio Whatman de 1.5 mm de 47 µm). Posteriormente, los sólidos se colocaron en la estufa a 105 °C durante 24 h para eliminar la humedad y la fase acuosa se midió y almacenó en el congelador (4 °C) para su posterior análisis.

 

2.3. Digestión anaeróbica

 

Métodos y Aparatos de Prueba

 

AD se llevó a cabo mediante una prueba de botella por lotes y los rendimientos de biogás se midieron mediante desplazamiento de agua. Los cilindros graduados se invirtieron en contenedores de 45 L (Sterilite) llenos de agua y la producción de gas se monitoreó diariamente en mL de biogás producido. Las siguientes cinco fases acuosas de HTC MSW se usaron para el análisis; 250 °C (10 min, 1 h), 280 °C (10 min, 1 h), 310 °C (1 h); cada condición se realizó por triplicado. Para AD, se agregó un promedio de 1 g de demanda química de oxígeno (DQO) (~0.3 g TOC) a las botellas y 400 ml de inóculo. El inóculo (TS = 4.5 %, VS = 77 %) se obtuvo de digestores anaeróbicos en la planta de tratamiento de aguas residuales del Atlántico del Distrito Sanitario de Hampton Roads (HRSD) (Virginia Beach, VA, EE. UU.). Se añadió agua desionizada a la línea de 450 ml para garantizar un espacio libre igual.

 

Las botellas se purgaron con nitrógeno durante 1 min para garantizar condiciones anaeróbicas en el espacio de cabeza y se sellaron inmediatamente con tapas de goma diseñadas con entradas para mediciones de gas. Se colocaron tubos de plástico de un octavo de pulgada (Tubos de líneas aéreas estándar de Aqua Culture) en las entradas y los tubos se conectaron desde la botella al cilindro graduado invertido en las tinas llenas de agua. Durante 15 días, las botellas de digestión se colocaron en un agitador con baño de agua calentado (New Brunswick Scientific G-76D) a 37 °C (para mantener las condiciones mesófilas) y 40 rpm para mezclar. El biogás se monitoreó diariamente y se registró en ml de biogás producido. El volumen de gas se corrigió por vapor de agua, condiciones normales (0 °C y 1 atm), y se midió restando el rendimiento de gas del inóculo como control. Se usó cromatografía de gases (SRI 8610C) equipada con detectores TCD/FID para monitorear la presencia de metano y dióxido de carbono.

 

2.4. Métodos analíticos

 

2.4.1. Carbonización Hidrotermal y Productos: Sólidos y Gases

 

Se analizaron todos los sólidos (material de partida HTC MSW e hidrocarbón) para determinar los sólidos totales, los sólidos volátiles y las cenizas, como se describe en ASTM E1756-08, Método EPA 1684, ASTM E1755-01, respectivamente. Análisis elemental (analizador elemental Thermo Finnigan Flash EA 1112) con estándar de 2,5-bis (5-terc-butilbenzoxazol-2-il) tiofeno (BBOT) (certificado n.º 202147-10/03/2015, ThermoFisher Scientific, Cambridge, UK) se realizó por triplicado para el material de partida y el hidrocarbón HTC MSW. Rendimiento de % en peso de sólidos y poder calorífico superior (HHV) utilizando una ecuación de Dulong modificada [15], se calculó para el hidrocarbón HTC MSW. El análisis termogravimétrico (TGA) del hidrocarbón se realizó usando TGA-50H (Shimadzu Corporation) siguiendo los estándares ASTM D7582-15 para evaluar las propiedades del combustible del hidrocarbón.

 

Los perfiles de combustión del TGA se utilizan para evaluar las clases de carbón (p. ej., lignito, bituminoso); por lo tanto, el perfil de combustión se evaluó utilizando 10 mg de hidrocarbón a 280 °C durante 10 min. Se usó aire comprimido a 50 ml/min con temperatura en rampa de 25 °C a 750 °C a 12.5 °C/min durante 60 min y se mantuvo a 750 °C durante 30 min. El análisis de Brunauer, Emmett y Teller (BET) se llevó a cabo utilizando un analizador de área superficial y tamaño de poro NOVA 2200e (Quantachrome Instruments) para determinar el área superficial del hidrocarbón HTC MSW; Se desgasificaron 0.2 g de muestra durante 4 h a 95 °C. Después de un relleno con helio, se registró la masa de la muestra desgasificada. Luego, la celda de muestra que contenía la muestra se bañó en nitrógeno líquido a -196 °C durante el período de análisis. A continuación, se midió el área superficial BET multipunto de la muestra. Los rendimientos de la fase gaseosa de HTC MSW se calcularon utilizando la diferencia de los rendimientos de la fase sólida y acuosa.

 

2.4.2. Fase acuosa

 

La fase acuosa de HTC MSW se analizó para sólidos totales, sólidos volátiles y cenizas como se describe en ASTM E1756-08, Método EPA 1684, ASTM E1755-01, respectivamente. También se analizaron para TOC y TN (analizador de carbono orgánico total/nitrógeno total (TOC/TN) TOC-VCSN, Shimadzu equipado con un muestreador automático ASI-V), DQO con tubos de digestión (HACH COD 20–1500 mg/L) y Colorímetro HACH DR/890 y pH (papel de pH Fisherbrand). Los azúcares y los ácidos orgánicos se midieron mediante HPLC Thermo Scientific Dionex Ultimate 3000 equipado con columna Aminex HPX-87P (azúcares), columna Aminex HPX-87H (ácidos orgánicos) y detector RefractoMax521 RI (índice de refracción). Todos los análisis se realizaron por triplicado.

 

3. Resultados y discusión

 

3.1. Carbonización hidrotermal y distribución de carbono

 

HTC se llevó a cabo a tres temperaturas diferentes (250, 280, 310 °C) y tres tiempos de residencia (10 min, 1 h, 6 h) para investigar los efectos de la temperatura y los tiempos variables para la materia prima de RSU mixta. Estas temperaturas se eligieron como temperaturas de rango bajo, medio y alto. Aunque los tiempos de residencia varían, los tiempos se eligieron para representar un tiempo de residencia más corto o más largo. Cualquier tiempo superior a 6 h se descartó porque aumentó el uso de energía; No se realizó HTC a 310 °C durante un tiempo de residencia de 6 h debido a este rango de temperatura más alto. Se realizó un estudio previo (usando un reactor de 160 ml a 250 °C durante 20 h) para esta materia prima mixta de RSU; sin embargo, la temperatura y los tiempos variables no se investigaron ni optimizaron, ya que no era el foco de su investigación [2].

 

Para este conjunto de experimentos, el balance de masa muestra que del 22 al 48 % del carbono permaneció en la fase sólida (hidrocarbón), del 33 al 45 % en la fase acuosa y del 15 al 44 % en la fase gaseosa (Figura 2). La fase gaseosa se calculó a partir de la sustracción de las fases acuosa y sólida. La literatura informa que la composición principal de la fase gaseosa HTC es dióxido de carbono y trazas de CO, CH4y H2 gases [16]. Debe señalarse, como en muchos estudios sobre HTC, que es difícil hacer comparaciones directas, especialmente con el contenido de hidrocarbón, ya que todos los factores de HTC (temperatura, tiempo, presión, diseño del reactor, concentración) influyen en la carbonización. La condición de 280 °C y 10 min produjo el mayor porcentaje de carbono en la fase acuosa (45%). Al elevar la temperatura de 30 °C a 250 °C, se disminuyó el tiempo de residencia de 6 h a 10 min produciendo más carbono en la fase acuosa, menos gas y un porcentaje de sólidos mayor al de un mayor tiempo de residencia (Figura 2).

 

Figura 2: Distribución de carbono después de HTC. Los valores son el promedio de análisis por triplicado. Las barras de error representan la desviación estándar.

 

Distribución de carbono después de HTC. Los valores son promedios de análisis por triplicado. Las barras de error representan la desviación estándar.

 

3.2. Composición de la fase acuosa

 

Los rendimientos porcentuales de carbono de la fase acuosa de HTC MSW oscilaron entre 34% y 45%, en consonancia con la literatura anterior [3,4]. La condición de 280 °C a los 10 min produjo el TOC más alto a 8.16 g/L con otros que oscilaron entre 6 y 7 g/L (Figura 3). La literatura informa que la fase acuosa de HTC varía de 5 a 20 g / L [3]. Un estudio similar realizado por Berge et al. utilizando una materia prima similar, se informó un TOC en fase acuosa de 20 g/l y una DQO de 60 g/l. Esta reacción tuvo lugar en un reactor mucho más pequeño (160 mL) durante un tiempo más largo (20 h) a 250 °C, lo que podría ser la razón de mayores rendimientos de TOC y DQO ​​en fase acuosa en comparación con los realizados con un reactor de 500 mL utilizado para este estudio. El TOC tendía a disminuir a medida que aumentaba la temperatura. Una explicación de esto es que los compuestos orgánicos solubles en agua son intermediarios en la formación de gas y aceite/carbón; un mayor porcentaje de compuestos gaseosos son el resultado de una carbonización más prolongada, como se puede ver con las reacciones a las 6 h [17]. Los valores de DQO arrojaron cantidades más altas que los de TOC, lo que muestra la presencia de compuestos inorgánicos en la fase acuosa [9].

 

Figura 3: HTC MSW fase acuosa DQO y TOC. Las barras de error representan la desviación estándar.

 

HTC MSW fase acuosa DQO y TOC. Las barras de error representan la desviación estándar.

 

Se detectaron varios ácidos orgánicos (p. ej., láctico y acético) y azúcares en la fase acuosa de HTC MSW. La presencia de azúcares y ácidos orgánicos se debe principalmente a la hidrólisis de la celulosa y hemicelulosas y sus productos de degradación como el furfural y el hidroximetilfurfural (HMF) [7,9]. La fase acuosa de HTC es una mezcla muy compleja que consta de muchos compuestos diferentes, como se informa en la literatura [7]. El análisis de la fase acuosa de HTC MSW mostró que los principales compuestos orgánicos eran ácido acético y ácido láctico (Tabla 1). Los principales azúcares incluían manosa y xilosa. Entre otros compuestos, había trazas de ácido fórmico, HMF y furfural. La condición de 280 °C y 10 min produjo 13.3 g/L de ácido láctico que tiene potencial de recuperación. El pH de todas las muestras en fase acuosa osciló entre 3 y 4 debido a la presencia de ácidos orgánicos. Un estudio similar informó solo datos cualitativos para los compuestos presentes en la fase acuosa de HTC MSW, incluido el ácido acético, que se cuantificó en este estudio [2]. En este mismo estudio, también se identificaron los fenoles, y comúnmente se informan como obstáculos para la biodegradabilidad anaeróbica.

 

Tabla 1: Principales compuestos en la fase acuosa de HTC MSW.

 

Principales compuestos en la fase acuosa de HTC MSW.

 

Las principales contribuciones de TOC para la fase acuosa de HTC MSW se atribuyen a la carbonización de los componentes orgánicos en la materia prima, como papel, alimentos y plástico. El papel de oficina triturado aporta el 45%, casi la mitad del peso total de la materia prima HTC, y además, es el principal material (papel) desechado en los vertederos. Un estudio que realizó HTC en papel de desecho y recicló el agua del proceso posterior con condiciones de proceso de 200 °C durante 16 h informó que el TOC y la DQO en la fase acuosa fueron 9.15 g/L y 24.8 g/L, respectivamente [18]. Los resultados en este experimento a 280 °C durante 10 min en fase acuosa TOC y COD son 8.16 g/L y 25.48 g/L, respectivamente (Figura 3). También identificaron el ácido láctico como el ácido orgánico identificado más abundante, que también es el caso de estos datos experimentales para los experimentos HTC MSW. Aunque las condiciones de reacción varían entre los estudios, estas similitudes podrían proporcionar información sobre la influencia del papel en la composición de la fase acuosa de HTC.

 

3.3. Digestión anaeróbica de la fase acuosa de HTC MSW

 

Las fases acuosas recuperadas de cinco condiciones de HTC se analizaron para investigar su biodegradabilidad mediante el proceso AD. La Tabla 2 muestra la producción total de biogás y ml de biogás producido por gramo de TOC y DQO. La producción de biogás osciló entre 48 y 327 ml de biogás/g TOC.

 

Tabla 2: Producción de biogás de la fase acuosa de HTC MSW y comparaciones de la literatura.

 

Producción de biogás de la fase acuosa de HTC MSW y comparaciones de la literatura.

 

Para estas pruebas por lotes AD, el biogás se cuantificó como la combinación de CH4 y compañía2. Se utilizó un tiempo de retención de 15 días porque la fase acuosa requiere menos tiempo para degradarse en comparación con los sustratos sólidos convencionales con semanas a meses de tiempo de residencia.

 

La condición de 280 °C y 10 min se destacó como la condición más ideal en este conjunto de experimentos debido a su mayor rendimiento de TOC en la fase acuosa, temperatura de rango medio y tiempo de residencia más corto de 10 min. La Figura 4 muestra dos conjuntos de experimentos que varían la cantidad de TOC utilizado en esta condición y la producción de gas acumulada de las dos concentraciones de TOC (0.1 g y 0.5 g) a 280 °C durante 10 min. El aumento de la cantidad de TOC demostró aumentar el rendimiento de biogás. La literatura informa que la producción diaria de biogás aumenta rápidamente en los primeros 7 días debido a los compuestos orgánicos fácilmente disponibles, lo que también se observó en este conjunto de experimentos [9]. Los fenoles son compuestos inhibidores bien conocidos del rendimiento de la EA. La literatura informa que con concentraciones de fenoles inferiores a 500 mg/L, los sustratos se fermentaron a metano.

 

Concentraciones de fenol que oscilan entre 800 y 1200 mg/L, la digestión no mejoró ni se inhibió, pero con concentraciones de fenol superiores a 2000 mg/L, se produjo una inhibición.19]. Para descartar cualquier posible inhibición de la DA por fenol, se analizaron los compuestos fenólicos totales para la condición de 280 °C durante 10 min, lo que dio como resultado 16.1 mg/L, que está muy por debajo de los valores notificados de inhibición de la EA por fenol.

 

Figura 4: Producción acumulada de biogás para 280 °C y 10 min (0.1 g y 0.5 g TOC).

 

Producción acumulada de biogás para 280 °C y 10 min (0.1 g y 0.5 g TOC).

 

En promedio, se usó 1 g de DQO para la prueba de AD. El potencial bioquímico de metano (BMP) es un procedimiento para determinar la producción de metano de un sustrato orgánico durante la biodegradabilidad anaeróbica. BMPDQO teórico se calcula en base a la conversión de 1 g DQO produciendo 0.35 L CH4 a temperatura y presión normales, para tener una idea de la biodegradabilidad de la fase acuosa de HTC MSW. En teoría, 1 g de DQO podría producir 464 ml de biogás, suponiendo que el 60 % de la mezcla de biogás sea CH4 [20]. La literatura informa rendimientos de biogás de 1.9 a 22.8 ml/ml de agua residual HTC utilizada con experimentos por lotes [5]. Otros estudios han demostrado rendimientos de biogás para el agua de proceso de lodos de depuradora de 500 ml de biogás/g TOC y 600 ml de CH4/g TOC utilizando ensilaje de maíz HTC aguas residuales [21].

 

Es bien sabido que la DA involucra procesos complejos de hidrólisis, acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis. La metanogénesis es la fase de producción de energía, o la fase en la que los productos de producción de energía (CH4 y compañía2) son producidos. Un componente orgánico importante de la fase acuosa de HTC MSW fue el ácido láctico, con un rango de 8.7 a 13.7 g/L. Se realizó un estudio que investigó la influencia del ácido láctico en la DA de los residuos de cocina, ya que el ácido láctico es el principal producto de fermentación de los residuos de cocina durante la DA. Su estudio concluyó que el ácido láctico tuvo una influencia negativa en el desempeño de la metanogénesis, ya que se observó una tasa de productividad de biogás más baja durante la EA [22].

 

La condición de 280 °C y 10 min fue el foco de estos experimentos principalmente debido al mayor rendimiento de TOC en el menor tiempo de residencia. Aunque esta condición produjo el TOC más alto, la condición de 250 °C produjo el mayor rendimiento de biogás por gramo de TOC (327.4 ml de biogás/g de TOC). Según el estudio mencionado anteriormente, el ácido láctico podría afectar la producción de biogás en la metanogénesis del paso de producción de energía. Los efectos del ácido láctico podrían monitorearse para el potencial de recuperación y/o para mejorar los rendimientos de biogás. El papel representó casi la mitad del porcentaje en peso en la materia prima de RSU mixta original.

 

Un estudio sobre HTC de papel usado realizó BMP en la fase acuosa y los rendimientos de biogás fueron de 730 ml de biogás/g de materia seca orgánica (ODM); también notaron una tendencia de biodegradabilidad más rápida durante los primeros días debido a los ácidos orgánicos fácilmente disponibles [18]. Junto con el pH, la temperatura y la concentración, la proporción de carbono a nitrógeno (C/N) es un parámetro importante en la funcionalidad general de AD y la producción de biogás. La literatura informa que las concentraciones de amoníaco por debajo de 200 mg/L son beneficiosas para el proceso de AD ya que el nitrógeno es esencial para los microorganismos anaeróbicos [23]. Los rendimientos de biogás dependen en gran medida de la relación C/N y los rangos óptimos se informan entre 20 y 30 [24]. La Tabla 2 también informa la relación C/N de las fases acuosas de HTC MSW utilizadas para este conjunto de experimentos. La condición de 250 °C y 10 min produjo la mayor cantidad de ml de biogás/g de TOC y, posteriormente, la relación C/N más baja de 40, la relación C/N más baja de todas las demás condiciones probadas. Todas las demás relaciones C/N estaban en los sesenta inferiores, lo que podría explicar la menor biodegradabilidad.

 

Hasta la fecha y hasta donde sabemos, no se han realizado otros estudios para probar la fase acuosa de HTC de una materia prima de RSU mixta, lo cual es la importancia de estas pruebas por lotes, para demostrar que es factible y que se puede hacer. Estos experimentos son una prueba de concepto de que el TOC fácilmente disponible en la fase acuosa de HTC MSW puede ser un sustrato factible para la producción de biogás. Estudios adicionales deberían investigar el uso de concentraciones más altas de TOC, la recuperación de ácido láctico y la posible adición de un cosustrato para aumentar y maximizar la producción de biogás. La adición de nitrógeno y la mejora de la relación C/N son esenciales para aumentar los rendimientos generales de biogás y mejorar el sistema AD.

 

3.4. Composición en fase sólida

 

Los rendimientos de hidrochar oscilaron entre 35 y 56% (Tabla 3). El estudio que utiliza una materia prima similar tiene rendimientos que oscilan entre el 29 y el 63 % [2]. Los mayores rendimientos se deben a los compuestos no modificados, como el vidrio y el metal. El material de tipo carbón resultó principalmente de la carbonización del papel, los alimentos y el plástico. El rendimiento de hidrocarbón más bajo provino de la condición de 280 °C durante 6 h y el más alto a 250 °C durante 10 min. A la temperatura más baja de 250 °C durante 10 min, el papel todavía estaba en la forma de la materia prima original de papel triturado, lo que demuestra que para esta temperatura, 10 min no fueron tiempo suficiente para carbonizar completamente la materia prima a hidrocarbón.

 

Tabla 3: Características de la materia prima inicial y del hidrocarbón HTC MSW producido.

 

Características de la materia prima inicial y del hidrocarbón HTC MSW producido.

 

La composición elemental del hidrocarbón se presenta en la Tabla 3. El HTC de la materia prima mixta de MSW dio como resultado un hidrocarbón HTC MSW con porcentajes más altos de carbono con oxígeno reducido y cenizas. A partir de la materia prima original (papel, plástico, alimentos), hubo un aumento del 40 % en el HHV. Los valores de ceniza oscilaron entre 4.8 y 21.7 %, aumentando a medida que aumentaba el tiempo de residencia y la temperatura. El valor de ceniza más alto de 21.7 % resultó de la condición de reacción de 310 °C durante 1 h. Los poderes caloríficos más altos se calcularon utilizando una ecuación de Dulong modificada [15] con valores que oscilan entre 19 y 25 (MJ/kg), lo que se compara con el HHV de carbones de rango inferior (p. ej., lignito y subbituminoso).

 

En otros estudios, las tendencias del hidrocarbón HTC han demostrado que a medida que aumenta la temperatura de reacción, aumenta el contenido de energía y disminuyen los rendimientos del hidrocarbón. En general, el contenido de carbono del hidrocarbón aumenta a medida que aumenta la temperatura, lo que resulta en un aumento de HHV [21]. Una tendencia que se observó para estos experimentos es que, a medida que aumentaba el tiempo, aumentaba el HHV. El aumento de temperatura provoca la descomposición y eliminación de la hemicelulosa rica en oxígeno; por lo tanto, aumentando el HHV y el valor del combustible.

 

TGA y APUESTA

 

Aunque el enfoque de este estudio no fue el hidrocarbón; Se realizaron análisis termogravimétricos (TGA) y análisis de área de superficie BET para investigar las propiedades potenciales del combustible y las aplicaciones de hidrocarbón en función del área de superficie, respectivamente. Para estos experimentos se utilizó hidrocarbón de las condiciones de 280 °C y 10 min. Los perfiles de combustión TGA se utilizan para comparar las diferentes clasificaciones (es decir, lignito, bituminoso, etc.) del carbón, ya que cada uno tiene un perfil de combustión idealizado que consta de cuatro elementos que se encuentran dentro del cromatograma TGA.

 

En la clasificación de la categoría del carbón, el punto de caracterización es la “temperatura pico (PT)” donde la pérdida de peso es máxima, variando desde menos de 400 °C hasta más de 700 °C [25]. Los otros componentes del perfil de combustión incluyen la temperatura de ignición (IT), la temperatura fija de ignición del carbón (ITFC), y la temperatura de quemado (BT) [25]. La Tabla 4 compara los parámetros típicos de combustión de carbones de lignito, bituminoso y antracita con el hidrocarbón HTC MSW. Las temperaturas del hidrocarbón HTC MSW se determinaron en función de los picos derivados en el cromatograma TGA (Figura 5), ​​que se realizó por duplicado. El perfil de combustión del carbón de lignito generalmente tiene dos picos que también se ven en el perfil de combustión del hidrocarbón HTC, lo que significa cierto parecido con los carbones de grado de lignito.

 

Figura 5: TGA de hidrocarbón HTC MSW (condición 280 °C, 10 min) realizado por duplicado (líneas rosa y verde). Los picos en el gráfico derivado representan el perfil de combustión del hidrocarbón.

 

TGA de hidrocarbón HTC MSW (condición 280 °C, 10 min) realizado por duplicado (líneas rosa y verde). Los picos en el gráfico derivado representan el perfil de combustión del hidrocarbón.

 

Tabla 4: Comparación de los parámetros de combustión de los tipos de carbón comunes con el hidrocarbón HTC MSW experimental [25].

 

Comparación de los parámetros de combustión de tipos comunes de carbón con hidrocarbón HTC MSW experimental

 

Hay mucho potencial para que el hidrocarbón se use como enmienda del suelo e incluso como ayuda en el proceso AD debido a los poros expuestos durante la carbonización. El área superficial de este hidrocarbón era en promedio 1.2 m2/gramo. Hay una gran variedad de áreas de superficie de hidrocarbón; sin embargo, la literatura informa que un aumento en el tiempo de residencia permite la modificación de la celulosa y la hemicelulosa, lo que puede afectar positivamente el área superficial; 10 min no fue suficiente tiempo para aumentar efectivamente el tamaño de los poros y el área superficial [14]. El hidrocarbón que se probó tenía un tiempo de residencia HTC de 10 min a 280 °C, lo que podría ser la razón de una superficie promedio tan pequeña. Papel, comida y plástico formaron los componentes del hidrocarbón HTC MSW. Se eligieron las condiciones de análisis BET de 95 °C porque el uso de temperaturas más altas expulsó una sustancia aceitosa del hidrocarbón durante el análisis. Una razón para esto es que el punto de ebullición del plástico es de alrededor de 105 °C, y durante el análisis BET, cualquier material plástico (biocrudo) dentro del hidrocarbón podría haber sido modificado.

 

3.5. Discusión

 

Balance de materiales

 

La Figura 6 describe el balance material general de los dos procesos que se llevaron a cabo para comprender mejor el alcance del proceso integrado HTC + AD. Los balances de masa se calcularon en función de la cantidad de carbono que entró y salió del sistema en forma de fases sólida, acuosa y gaseosa. Esta figura simula lo que sucedería si se carbonizaran 100 Kg C (230 Kg de la mezcla de MSW) y la fase acuosa resultante se usara para AD, según los datos experimentales del balance de masa para 280 °C y 10 min (Figura 2).

 

Los litros de biogás se calculan utilizando los rendimientos de biogás experimentales más altos de 222 ml de biogás/g TOC. Biogás o la combinación de CH4 y compañía2 se cuantificaron juntos para estos experimentos AD por lotes; por lo tanto, para esta simulación se supuso que CH4 representó el 60% y CO2 representó el 40% de la mezcla de biogás en el cálculo de Kg de C para biogás. La composición del biogás depende del sustrato utilizado, pero se informa que oscila entre 50 y 70 % de CH4 y 30–40% CO2 [20].

 

Figura 6: Balance general de materiales del proceso combinado HTC + AD.

 

Balance general de materiales del proceso combinado HTC + AD.

 

El biogás normalmente tiene un valor térmico de 22 MJ/m3 y metano con un valor térmico de 36 MJ/m3. Este proceso de usar 100 Kg C podría resultar en 218 MJ de producción de energía en base a los litros de biogás producidos. Al evaluar el balance de masa, 5 Kg C salen del sistema como biogás. Esto ahora pone en duda cómo utilizar los 40 kg restantes (89 %) de carbono y por qué no se digirió.

 

En cuanto a HTC, existen estudios limitados que investigan la fase acuosa; además, la fase acuosa de una materia prima mixta, como la corriente de RSU mixta del modelo, normalmente se dirigía al vertedero. El estudio más cercano al trabajo realizado en este artículo investiga HTC de la fracción orgánica de MSW (OFMSW) junto con AD [6,26]. El trabajo realizado por Lucian et al. son grandes estudios específicamente para la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos; sin embargo, esto no considera las fracciones que aún terminan en el vertedero (si no se separan en fracciones orgánicas) y su destino. Hemos demostrado que AD es factible; sin embargo, mejorar la digestión es fundamental para respaldar el proceso integrado de HTC + AD para el tratamiento de los RSU. Las pruebas futuras deben evaluar qué rutas mejorarían la digestión, incluidas las investigaciones sobre cómo mejorar las condiciones del sistema AD al reducir las relaciones C/N con la adición de nitrógeno, los pretratamientos en fase acuosa o la codigestión.

 

4. Conclusiones

 

Hasta la fecha ha habido un número limitado de estudios sobre HTC de materiales de desecho mixtos. El enfoque integrado (HTC y AD) mostró una recuperación de carbono orgánico del 58 % en forma de hidrocarbón y biogás. A escala comercial, las plantas de HTC se consideran biorrefinerías en las que se ha explorado con más detalle el hidrocarbón; sin embargo, aprovechar al máximo todas las corrientes existentes, como la fase acuosa de HTC, maximizará el uso de estos sistemas y hará que el proceso general sea más sostenible desde el punto de vista ambiental. Hasta donde sabemos, no ha habido otros informes de investigación y comprensión de la biodegradabilidad de una corriente de RSU mixta al variar el tiempo de residencia y la temperatura. Este estudio es una prueba de concepto de que la AD de la fase acuosa de HTC MSW es ​​factible y tiene potencial para ser mejorada. Las pruebas futuras se centrarán en mejorar los rendimientos de biogás de la fase acuosa y la composición específica del biogás. Para recuperar, utilizar y maximizar el carbono de la fase acuosa, el balance de masa muestra que sería necesario mejorar la fase acuosa de HTC MSW (p. ej., pretratamiento, codigestión) para el sistema integrado.

 

Contribuciones de autor:

 

Conceptualización, KJA y SK; Curación de datos, KJA; Análisis formal, KJA; Adquisición de fondos, BS y SK; Investigación, KJA; Metodología, KJA y BS; Recursos, BS y SK; Supervisión, BS y SK; Redacción: borrador original, KJA; Redacción: revisión y edición, KJA Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

 

Fondos:

 

Esta investigación fue financiada por Fiberight, LLC. adjudicación número 500298-010.

 

Expresiones de gratitud:

 

Los autores desean agradecer al Laboratorio de Investigación de Biomasa (BRL) de la ODU, Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental de la ODU, a través del cual se ha apoyado este proyecto. Los autores también quisieran agradecer al Departamento de Química de la ODU; Oumar Sacko y la planta de tratamiento de aguas residuales de Virginia Atlantic HRSD (David Ewing) por su apoyo en este proyecto.

 

Referencias:

 

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Este artículo fue publicado originalmente por el Licenciatario MDPI, Basilea, Suiza, el 06 de septiembre de 2021, y se volvió a publicar de acuerdo con la Licencia pública internacional Reconocimiento-No comercial-Sin derivados 4.0 de Creative Commons. Puedes leer el artículo original aquí . Las opiniones expresadas en este artículo son solo del autor y no de WorldRef.


 

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