Energy recovery of screening waste from wastewater treatment plants as solid recovered fuel

Abstract

En las últimas décadas los principios de la economía circular se han establecido como un campo de actuación inevitable en las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDAR). El incremento de los costes energéticos junto con las obligaciones ambientalmente sostenibles en la gestión de los residuos está cambiando el enfoque dentro de la gestión del agua residual. El concepto de biofactoría redefine a las EDAR implementando procesos para la producción de energía y el avance hacia la consecución del residuo cero. Como parte de la gestión de las aguas residuales, además de la existencia de procesos de reciclaje de arenas y grasas, el desarrollo de tecnologías de conversión de residuos en energía, reconocidas por el concepto en inglés “waste to energy” (WtE), reside principalmente en el ámbito de los lodos. Sin embargo, el residuo de desbaste procedente del pretratamiento es el único que aún no dispone de proceso de valorización, siendo generalmente desechado mediante eliminación en vertedero. Si bien existen estudios sobre las posibles alternativas a la eliminación en vertedero del residuo de desbaste, éstos están centrados en procesos de digestión anaeróbica y aún no se han estudiado otro tipo de vías de valorización de este residuo. En consecuencia, esta investigación ha tenido como objetivo principal el análisis en profundidad de la posibilidad de valorización energética del residuo de desbaste mediante su transformación en combustible sólido recuperado (CSR). A modo de establecer el estado del arte, se ha analizado la evolución científica de las tecnologías WtE en las EDAR municipales mediante una revisión bibliométrica. En relación con el trabajo de laboratorio, se han realizado los ensayos conducentes a la caracterización física y química del residuo del desbaste procedente de la Biofactoría Sur de Granada (España). A continuación, a nivel experimental y teniendo como principales etapas los procesos de secado, trituración y densificación, se produjo CSR sin densificar y densificado, en forma de pellets. La calidad del combustible generado se determinó mediante su caracterización, teniendo como base una nueva propuesta de clasificación del CSR que se desarrolló a partir de varias normativas existentes, tanto a nivel nacional como internacional. Finalmente se realizaron ensayos de laboratorio y balances de energía para los procesos de combustión, gasificación y pirólisis, dirigidos a evaluar el aprovechamiento del CSR producido mediante su valorización en procesos termoquímicos. Además, el proceso de producción de CSR, tanto densificado como sin densificar, se ha sometido a estudios de viabilidad ambiental y económica. Los resultados del mapeo científico muestran un exponencial incremento de publicaciones WtE en EDAR, identificando al mismo tiempo la falta de estudio sobre los residuos del desbaste. El residuo analizado muestra una caracterización, mayormente compuesta de textiles sanitarios (52.1%) además de otras fracciones como papel, plásticos y vegetales. Esta composición se podría asemejar a aquella que compone la fracción rechazo procedente de residuos sólidos urbanos (RSU). Asimismo, su poder calorífico, y los contenidos en Cl y Hg, hacen viable su conversión en CSR según la norma ISO 21640:2021. Se comprobó la viabilidad técnica de la producción de CSR, tanto no densificado como densificado. Para la producción de pellets las variables de entrada fueron la humedad del residuo y el tamaño de prensa, concluyendo que las condiciones óptimas de peletización fueron para una humedad del 10% y con matrices con relaciones de compresión de 6/20, 6/24 y 8/32. Conjuntamente, la determinación de las características del CSR obtenido demostró que se cumplen los requerimientos de la clasificación propuesta, teniendo como destino más favorable de valorización las plantas de producción de energía a partir de residuos. Para el estudio medioambiental y económico se establecieron cuatro escenarios de producción de CSR, diferenciando el tipo de secado y el producto final, como alternativa a la eliminación del residuo del desbaste en vertedero. El análisis de costes y beneficios, realizado mediante la obtención del Valor Neto Actual (VAN) empleando la simulación de Monte Carlo (MC), concluyó que la eliminación en vertedero es el escenario más negativo en términos económicos. Además, al incluir a este análisis la monetización de las emisiones de CO2 generadas se obtuvo que no es una solución viable. Esta conclusión fue también ratificada por el estudio de impacto ambiental, desarrollado mediante el Análisis de Ciclo de Vida (ACV) y para el cuál se utilizó el software SimaPro 9.2. Con esta herramienta se certificó que el vertedero supone el impacto más negativo en 6 de las 11 categorías ambientales analizadas según la metodología CML-IA baseline v3.08. Además, a partir de estos estudios, se obtuvo que el escenario más viable en términos económicos y ambientales sería la generación de CSR sin densificar y mediante la utilización del secado térmico en su proceso de producción. Desde la perspectiva de la valorización energética se compararon los procesos termoquímicos de combustión y gasificación. El análisis teórico de la combustión se realizó mediante balance de energía, teniendo como corriente de entrada el CSR con diferentes niveles de humedad. Para la gasificación se realizaron ensayos a escala de laboratorio donde se determinaron los gases de salida producidos, a partir de los cuáles se llevó a cabo otro balance de energía, en este caso para la combustión de esos gases. La combustión del CSR en sólido fue el proceso más efectivo, con un beneficio energético máximo de 178.63 MJ por cada 100 kg de CSR en bruto (con humedad del 77.3%), mientras que la gasificación ofreció resultados máximos de 42.48 MJ para la misma cantidad de CSR. Desde un punto de vista no energético, la pirólisis, también analizada en base al diseño experimental a escala de laboratorio, reflejó la viabilidad de generar productos de valor añadido, como el char o el líquido de pirólisis.

In recent decades the principles of the circular economy have established themselves as an unavoidable field of action in wastewater treatment plants (WWTPs). Increasing energy costs and environmentally sustainable obligations in waste management are changing the focus on wastewater management. The biorefinery concept redefines WWTPs by implementing processes for energy production and moving towards zero waste. As part of wastewater management, in addition to sand and grease recycling processes, waste to energy (WtE) technologies development lies mainly in sludge. However, only the screening waste from pre-treatment still has no recovery process and is generally disposed of by landfill disposal. Although there are studies on the possible alternatives to landfill disposal of the screening waste, these are focused on anaerobic digestion processes. This is the only type of recovery route for this waste that has yet to be studied. Consequently, the main objective of this research has been the in-depth analysis of the possibility of energy recovery of the screening waste through its transformation into solid recovered fuel (SRF). In order to establish the state of the art, the scientific evolution of WtE technologies in municipal WWTPs was analyzed using a bibliometric review. Tests leading to the physical and chemical characterization of the screening waste from the Biofactoría Sur in Granada (Spain) were carried out concerning the laboratory work. Then, at an experimental level and having as main stages the drying, crushing and densification phases, SRF was produced without densification and densified in the form of pellets. The fuel quality was determined by utilizing its characterization based on a new SRF classification proposal developed based on several existing national and international regulations. Finally, laboratory tests and energy balances were carried out for the combustion, gasification, and pyrolysis processes to evaluate the use of the SRF produced through its valorization in thermochemical processes. In addition, the SRF production process, both densified and non-densified, has been subjected to environmental and economic feasibility studies. The results of the scientific mapping show an exponential increase of WtE publications in WWTPs, identifying at the same time the lack of study on the waste from desludging. The analyzed waste mainly comprises sanitary textiles (52.1%) and other fractions such as paper, plastics and vegetables. This composition could be similar to the rejection fraction from municipal solid waste (MSW). Furthermore, its calorific value and Cl and Hg contents make it viable for conversion into SRF according to ISO 21640:2021. The technical feasibility of SRF production, both nondensified and densified, was tested. For pellet production, the input variables were residue moisture and press size, obtaining that the optimum palletization conditions were for a moisture content of 10% and with matrices with compression ratios of 6/20, 6/24 and 8/32. Together, the determination of the characteristics of the SRF obtained showed that the requirements of the proposed classification were met, with the most favourable destination for recovery being waste-to-energy plants. For the environmental and economic study, four SRF production scenarios were established, differentiating the drying type and final product as an alternative to landfill disposal of the screening waste. The cost-benefit analysis, carried out by obtaining the Net Present Value (NPV) using Monte Carlo (MC) simulation, concluded that landfill disposal is the most pessimistic scenario in economic terms. Furthermore, including the monetization of the CO2 emissions generated in this analysis concluded that it is not a viable solution. The environmental impact study also ratified this conclusion, developed using Life Cycle Analysis (LCA) and for which the SimaPro 9.2 software was used. This tool certified that the landfill has the most negative impact in 6 of the 11 environmental categories analyzed according to the CML-IA baseline v3.08 methodology. Furthermore, from these studies, it was obtained that the most viable scenario in economic and environmental terms would be the generation of SRF without densification and by using thermal drying in the production process. From the perspective of energy recovery, the thermochemical processes of combustion and gasification were compared. The theoretical combustion analysis was carried out through energy balance, having the SRF with different moisture levels as the input stream. Laboratory-scale tests were carried out for gasification to determine the output gases produced. In this case, another energy balance was carried out for the combustion of these gases. Solid SRF combustion was the most effective process, with a maximum energy benefit of 178.63 MJ per 100 kg of raw SRF (at 77.3% moisture). In comparison, gasification gave maximum results of 42.48 MJ for the same amount of SRF. From a non-energy point of view, pyrolysis, also analyzed based on the laboratory-scale experimental design, reflected the feasibility of generating value-added products, such as char or pyrolysis liquid.