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Valorización material y energética de residuos biomásicos mediante carbonización hidrotermal y digestión anaerobia. Validación tecnológica en un marco de economía circular (VALIDAWASTE)



Equipo

Investigador Principal: Dr. Ángel Fernández Mohedano

Investigadora Principal: Elena Díaz Nieto

Otros investigadores: María de los Ángeles de la Rubia Romero, Montserrat Tobajas Vizcaíno, Alicia Polo Díez

Introducción tecnológica

La carbonización hidrotermal (HTC) es un proceso termoquímico respetuoso con el medio ambiente con potencial para producir un combustible sólido con una alta densidad de energía dependiendo de la materia prima empleada y las condiciones de operación utilizadas. Este producto sólido podría desempeñar un papel esencial en la reducción de la dependencia de los combustibles fósiles y podría tener usos potenciales como mejorador del suelo, en almacenamiento de metano e hidrógeno, almacenamiento de energía (baterías de iones Li/Na, supercapacitores, pilas de combustible) y precursor de carbón activado para ser utilizado como adsorbente o soporte de catalizadores. Por otra parte, la HTC genera una corriente acuosa (agua de proceso), con altas concentraciones de materia orgánica y abundancia relativa de nutrientes (N, P, K), que puede ser valorizada mediante digestión anaerobia para la producción de metano o ser utilizada directamente como fertilizante.

La carbonización hidrotermal unida a la tecnología de digestión anaeróbica tiene un importante interés técnico para diferentes industrias de gestión de residuos, especialmente aquellas que están mejorando sus perspectivas de innovación y desarrollo y para las industrias o administraciones responsables de la generación de residuos de biomasa.

Proyecto

El proyecto se centra en el empleo de tratamientos hidrotermales como eje central de una estrategia de valorización de residuos (fangos de depuradora, fracción orgánica de los residuos domésticos y residuos de poda). Los ensayos se realizan tanto a nivel de laboratorio (operación en discontinuo) como a nivel de planta piloto (operación en continuo), optimizando las principales variables del proceso (temperatura, tiempo de reacción y concentración de sólidos). En este último caso, tras la instalación de una planta piloto de tratamiento hidrotermal que permita comprobar la efectividad de esta tecnología a mayor escala, se analiza la posibilidad de recuperación de nutrientes mediante tratamiento hidrotermal de los fangos de depuradora y la fracción orgánica de los residuos municipales, tanto del hidrochar como del agua de proceso, estudiando la especiación de N y P, así como su recuperación como sulfato amónico y estruvita.

Evolución tecnológica durante el proyecto

Actualmente se ha alcanzado un nivel de TRL4, siendo el objetivo del proyecto alcanzar un TRL6.

Durante el TRL 4, la carbonización hidrotermal y la digestión anaerobia del agua de proceso se han probado empleando diferentes residuos como lodos de depuradora, la fracción orgánica de los residuos municipales y los residuos de poda como materia prima. La propuesta actual aborda la continuación del TRL 4, planificando una prueba más rigurosa a mayor escala realizando balances de masa y energía para alcanzar el TRL 5. El plan de demostración implica una evaluación de la integración y las sinergias entre las diferentes alternativas. Una vez completadas las pruebas del TRL 5, la tecnología debería avanzar hasta el TRL 6 mediante demostraciones piloto en un entorno industrial relevante, una planta de tratamiento y gestión de residuos y una planta de tratamiento de aguas residuales, una modelización de la planta y el desarrollo de una evaluación del ciclo de vida (LCA).

Desde un punto de vista funcional, el escalado de la planta supone pasar de procesar unas centenas de gramos de biomasa al día, en operación discontinua, a unas decenas de kilos al día operando en continuo, lo que representa un salto sustancial en la tecnología desarrollada. Esto permitirá abordar los pasos técnicos para su prueba de concepto e implementación de la misma en entornos reales.

En este proyecto se plantea validar los resultados obtenidos a escala piloto de la carbonización hidrotermal de residuos municipales y residuos de poda, así como de biosólidos de depuradora, y evaluar las características de los productos generados (hidrochar y agua de proceso) para estudiar su uso final. Se pretende evaluar los balances de masa y energía de para el tratamiento de los residuos comentados, y considerar alternativas para establecer la mejor opción de tratamiento de cada residuo. Por último, se plantea realizar una modelización y una evaluación del ciclo de vida (integración ambiental, técnica y económica) de la carbonización hidrotermal, estudiando su implementación en un modelo de economía circular.

Mercado potencial

La tecnología está dirigida al sector del tratamiento y gestión de residuos biomásicos, que incluiría residuos de podas de parques y jardines, residuos orgánicos domiciliarios, biosólidos de depuradora, entre otros. Los residuos de poda son una biomasa disponible para la producción de bioenergía.

La FAO estima que para 2050 se producirán en el mundo más de 9.500 millones de toneladas de residuos domésticos al año. En España actualmente se recogen más de 21,5 millones de toneladas de residuos domésticos al año, de los cuales el 75 % se consideran biorresiduos (residuos alimentarios y de poda y jardinería), y en torno a 2 millones de toneladas de residuos domésticos de la Comunidad de Madrid (EGS, 2017). La fracción orgánica de los residuos municipales contiene un alto contenido de humedad (60-90 %) y se caracteriza, normalmente, por una alta concentración de carbono (40-60 %). Alrededor del 6 % de los residuos sólidos urbanos son residuos de poda, que se eliminan en su mayoría en vertederos municipales, lo que aumenta la presión sobre los vertederos.

Por último, la gestión de los biosólidos de depuradora es un tema medioambiental de primer orden debido a su elevada carga orgánica y a su baja deshidratabilidad, lo que requiere de elevados costes para su evacuación. Además, es un problema creciente, ya que el número de plantas de tratamiento de aguas residuales continúa aumentando, lo que provoca un incremento en la producción de lodos. Por ello, su gestión integral es un punto clave para reducir los costes de explotación y hacer del tratamiento de las aguas residuales un proceso más respetuoso con el medio ambiente.

Contacto: angelf.mohedano@uam.es elena.diaz@uam.es

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