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

Resumen

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.