Valorización de residuos mediante carbonización hidrotermal.: Recuperación de energía y nutrientes.

• Autores: José Daniel Marín Batista
• Directores de la Tesis: Ángel Fernández Mohedano (dir. tes.), M. Ángeles de la Rubia Romero (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2020
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Juan José Rodríguez Jiménez (presid.), Elena Díaz Nieto (secret.), Liliana Castro (voc.), Luis Isidoro Romero García (voc.), Rafael Borja Padilla (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Química Aplicada por la Universidad Autónoma de Madrid
• Materias:
  • Química
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• Resumen

  • La carbonización hidrotermal (HTC, por sus siglas en inglés) es un proceso termoquímico que convierte la materia orgánica en un producto sólido rico en carbono. La HTC permite operar en condiciones más suaves que otros tratamientos térmicos ampliamente utilizados, como la pirolisis, la torrefacción o la gasificación, para la valorización de residuos con alto contenido de humedad, al no ser necesaria una operación de secado. En el proceso se produce un material carbonoso (hidrochar), con un poder calorífico similar al lignito y algunos carbones sub- bituminosos, y un agua de proceso con un alto contenido de materia orgánica. La posibilidad de digerir anaeróbicamente este efluente líquido permite recuperar energía adicional, lo que mejora la rentabilidad del proceso. En el presente trabajo se ha empleado microalgas, digestato y estiércol de vaca como residuos biomásicos. La biomasa microalgal utilizada para el tratamiento de aguas residuales se puede valorizar mediante digestión anaerobia (DA), con rendimientos bajos a biogás dada la composición de la pared celular de las microalgas. En la actualidad, la DA es la ruta más común para estabilizar el estiércol y controlar olores. De nuevo, el bajo rendimiento a biogás de este residuo biomásico limita la aplicación de esta tecnología en granjas pequeñas y medianas. Por último, los lodos digeridos de depuradora son un residuo agotado, aunque puede ser valorizado antes de su disposición final. Este trabajo evalúa el potencial del tratamiento hidrotermal para valorizar lodos digeridos, estudiando el efecto de la temperatura de reacción (170 – 240 ºC) sobre las características del hidrochar y del agua de proceso obtenidos.

    En el capítulo 1 se evalúa la HTC de biomasa microalgal con la finalidad de valorizar este residuo energéticamente. Se estudió el efecto de la temperatura (180, 210 y 240 °C) en el proceso de carbonización, observándose que el hidrochar obtenido a 210 °C presentó un contenido de carbono y un poder calorífico un 10% superior que la biomasa de partida. El lavado del hidrochar con HCl permitió eliminar eficazmente cenizas y aumentar su contenido de carbono un 40%. La recuperación de energía del agua de proceso por DA permitió obtener rendimientos de metano de 188 – 356 mL STP CH4/g SV. La cantidad de energía que normalmente se recupera por DA de microalgas (4 MJ/kg microalga, 20% en términos de HHV) aumentó hasta alcanzar valores 15,4 MJ/kg cuando la carbonización se realizó a 180 °C (considerando el poder calorífico del hidrochar y la recuperación energética mediante DA. La energía recuperada por ambos procesos (HTC+DA) permitió recuperar un 91% de la energía contenida en la biomasa microalgal de partida.

    En el capítulo 2 se evalúa el potencial de la HTC para valorizar el digestato generado en digestores anaerobios de depuradoras de aguas residuales urbanas, con la finalidad de recuperar P y energía. El tratamiento hidrotermal del digestato (180 – 240 ºC) no generó hidrochars con alto contenido energético. Se analizó el contenido de P en el hidrochar y en el agua de proceso, observándose que la concentración de P inorgánico se mantuvo constante en el hidrochar, no viéndose afectada por la temperatura de reacción. Sin embargo, el contenido en P orgánico disminuyó al aumentar la temperatura de carbonización, observándose un aumento de la lixiviación del mismo al agua de proceso. La recuperación de P mediante lixiviación ácida del hidrochar obtenido a 180 ºC permitió obtener un precipitado marrón, después de su tratamiento con CaO a pH 9, con un contenido de P total de 42 mg/g, similar a una roca fosfórica de bajo contenido en P. Además, la lixiviación ácida disminuyó un 50% el contenido de cenizas, produciendo una significativa mejora en el contenido de carbono de los hidrochars obtenidos, y un significativo aumento del poder calorífico en el intervalo 20,5 – 23,1 MJ/kg. La DA del agua de proceso permitió una recuperación de energía adicional en forma de biogás (325 y 279 mL STP CH4/g SV para las fracciones acuosas obtenidas a 180 y 210 ºC, respectivamente).

    En el capítulo 3 se estudió la recuperación energética del estiércol vacuno mediante HTC. Se realizó un análisis termogravimétrico de los hidrochars y se evaluó la DA del agua de proceso. El aumento de la temperatura de tratamiento del estiércol (170 – 230 ºC) mejoró las propiedades del hidrochar como combustible sólido (poderes caloríficos de 16,4 – 20,1 MJ/kg y relación de combustible 0,19 – 0,33). Sin embargo, al aumentar la temperatura, la recuperación energética disminuyó sensiblemente al disminuir el rendimiento a hidrochar (65,0 – 54,0%). El contenido de carbono fijo (12,5 – 18,7%) y las temperaturas de ignición (263 – 278 ºC) y de combustión (581 – 619 ºC) de los hidrochars aumentaron con la temperatura de carbonización, reduciéndose el riesgo de incendio y explosión. El valor más elevado del índice de combustión se consiguió para el hidrochar obtenido a 170 ºC. El alto contenido de materia orgánica del agua de proceso permitió recuperar energía mediante DA, obteniéndose un elevado rendimiento a metano a partir del agua generada a 170 ºC (294 mL STP CH4/g SV), así como una elevada eliminación de demanda química de oxígeno. El tratamiento hidrotermal de estiércol permitió una mayor recuperación de energía que la DA convencional del mismo (4,1 MJ/kg). La recuperación de energía obtenida mediante la generación del hidrochar (13,7 MJ/kg para condiciones de carbonización por debajo de 200 ºC) y el metano producido por digestión anaerobia alcanzó un 85% del contenido energético de la biomasa de partida.