TY - UNPB ID - upm74036 N1 - Unpublished AV - public M1 - masters PB - Industriales A1 - Jaime Azuara, Antonio N2 - El trabajo realizado en este TFM se divide en cuatro actividades: (1) licuefacción hidrotérmica de lodos de depuradora con recirculación de la fase acuosa, (2) caracterización de la fase acuosa, (3) simulación de la precipitación de estruvita y (4) estudio técnico económico de la solución adoptada. Primero se realizan los experimentos de licuefacción hidrotérmica de lodos de depuradora con recirculación. Agua y pellets secos procedentes de lodos secundarios de depuradora son introducidos en un micro reactor tubular agitado, que se somete a un proceso hidrotérmico dentro de un baño de arena fluidizado a 350 ºC durante 15 minutos. Una vez terminado este proceso, las cuatro fases (biocrudo, gas, sólidos y fase acuosa) son extraídas y separadas. Parte de la fase acuosa es recirculada y la parte restante se reserva para la posterior caracterización. La recirculación se repite hasta que la cantidad de compuestos orgánicos en la fase acuosa se estabiliza, en este caso se llevaron a cabo cinco recirculaciones. Se realizaron tres réplicas de este proceso para asegurar el éxito de la experimentación y poder estimar el error en los resultados. Parte de la fase acuosa extraída después de cada recirculación ha sido caracterizada mediante tres técnicas distintas: medición de pH, Hach kits y por último espectrofotometría de emisión atómica ICP-OES. La medición de pH se llevó a cabo mediante un pH-metro y todas las fases acuosas mostraron un pH entre 8 y 9, sin una tendencia clara y con un valor medio de 8,41. La caracterización mediante Hach kits se realizó para la determinación de la concentración en la fase acuosa de: carbono orgánico total (TOC), nitrógeno total (TN), amonio, sulfato, fosfato y cloruro. La medición de los dos primeros parámetros permite controlar la distribución del nitrógeno entre las distintas fases y realizar el seguimiento de la concentración de compuestos orgánicos. De esta forma, se pudo determinar que la estabilización de compuestos orgánicos en la fase acuosa se alcanzó después de la tercera recirculación. Por otro lado, la caracterización de amonio, sulfato, fosfato y cloruro sirve para estudiar la evolución de la concentración de estos compuestos y utilizar estos valores para la posterior simulación de precipitación de estruvita. La media de la concentración de amonio y fosfato, compuestos involucrados en la formación de estruvita, después de la Recirculación 3, fue de 8196 mg/l y 166 mg/l, respectivamente. La caracterización mediante Hach kits supuso un gran reto, ya que la cantidad de fase acuosa disponible era escasa y estas pruebas trabajan en rangos de concentración limitados. Esto requirió realizar diluciones, mediante técnica de ensayo y error, para conseguir la cantidad de muestra necesaria, hasta encontrarse dentro del rango de los kits. La espectrofotometría de emisión atómica ICP-OES fue utilizada para la medición de aluminio, calcio, hierro, potasio, magnesio, sodio, fósforo, azufre y silicio en la fase acuosa. Al tratarse de una técnica compleja, que requiere de experiencia, esta fue realizada por un técnico especialista. La concentración de magnesio en la fase acuosa fue 13 mg/l. Toda esta información acerca de la composición de la fase acuosa fue introducida en un software de simulación de equilibrio químico llamado Visual MINTEQ. El pH y la cantidad de magnesio añadida a la fase acuosa se variaron entre 7 y 14 y entre 0 mg/l y 495 mg/l, respectivamente. Se observó como la cantidad de estruvita producida se encontraba en su máximo para valores de pH entre 8 y 12,5. Por lo tanto, el pH inicial de la fase acuosa se seleccionó como condición de operación para la precipitación de estruvita. De esta manera, se evita la utilización de químicos, como el hidróxido de sodio, para la modificación del pH. Para el pH seleccionado, la cantidad de estruvita aumentaba con la dosis de magnesio hasta que esta alcanza un valor de 110 mg/l. A partir de este valor, la conversión de magnesio a estruvita se reduce drásticamente hasta alcanzar una conversión próxima al 0 %. Por lo tanto, esta cantidad de magnesio es seleccionada como la óptima para la producción de estruvita. La cantidad de estruvita producida, con pH 8,41 y dosis de magnesio de 110 mg/l, es de 1216 mg/l. Sin embargo, otros solidos a parte de la estruvita también precipitan y provocan que la cantidad total de precipitados ascienda a 1306 mg/l y, por lo tanto, la pureza de estruvita sea de 93,1 %. De esta manera, un 96,2 % del fósforo que inicialmente se encontraba en la fase acuosa es recuperado como sólido. Utilizando los resultados de la simulación, se procede a realizar un análisis técnico económico de la integración, de esta tecnología, en el proceso de producción de biocombustible mediante licuefacción hidrotérmica de lodos de depuradora. En primer lugar, se diseña un proceso a escala industrial para la precipitación de estruvita. La fase acuosa y una fuente de magnesio, en este caso cloruro de magnesio, son introducidas en un reactor agitado (CSTR) donde la precipitación tiene lugar. Los precipitados se extraen por el fondo del reactor y se llevan en un lecho de secado a temperatura ambiente para, posteriormente, proceder a su envasado. El estudio técnico económico se realiza para una planta de producción de biocrudo de 1000 m3/yr. Los CAPEX y OPEX se calculan para un proceso con la capacidad de tratar 4750 m3/yr de fase acuosa en las condiciones óptimas determinadas en la simulación. Los resultados muestran como el reactor supone el 79 % del gasto anual del proceso, teniendo en cuenta el gasto de mantenimiento de los equipos. El gasto en cloruro de magnesio supone un 3 % del coste anual, una cantidad casi despreciable comparada con el coste del reactor. Al no utilizar ningún compuesto para modificar el pH, el gasto en químicos se ha reducido al máximo. En estas condiciones, el coste de producción por tonelada de estruvita asciende a 2392 EUR/ton. Hoy en día, el valor de mercado de la estruvita se encuentra entre 188 EUR/ton y 763 EUR/ton, por lo que el coste de producción es tres veces mayor que el posible precio de venta. Sin embargo, es importante tener en cuenta que el tratamiento de la fase acuosa para la extracción de nutrientes es una etapa obligatoria, previa al vertido de las aguas en los medios acuáticos. Por lo tanto, aunque el coste sea mayor que el dinero que se pueda obtener de la venta de estruvita, su extracción puede mejorar la economía del proceso. Por último, se realizó un análisis de sensibilidad para conocer cómo, la cantidad de fase acuosa procesada, el tiempo de retención de los reactivos, la reducción del coste del reactor y las condiciones de financiación del proyecto, afectan a la economía del proceso. Para conseguir estar dentro del precio de mercado, al menos 35550 m3/yr de fase acuosa deben ser procesados. Por otro lado, la modificación del tiempo de retención dentro del rango seleccionado presenta una variación del coste de producción del 20 %. El coste se reduciría un 40 % si el reactor se construyese un 50 % más barato. Finalmente, no se consigue una gran reducción del coste de producción dentro de condiciones realistas de financiación. Este proyecto es un estudio preliminar de la recuperación de fósforo procedente de la fase acuosa derivada de la licuefacción hidrotérmica de lodos de depurador. La fase acuosa muestra un gran potencial para la precipitación de estruvita, ya que no requiere modificación del pH, lo que reduce significativamente los costes del proceso. Este TFM sirve de punto de partida de futuras investigaciones en este campo, que permitan mejorar la economía de la licuefacción hidrotérmica de la biomasa mientras contribuye a la creación de una economía circular entorno al fósforo y a la consecución de los Objetivos de Desarrollo Sostenible de la Agenda 2030. UR - https://oa.upm.es/74036/ TI - Phosphorus recovery from the aqueous phase by-product derived from the hydrothermal liquefaction of sewage sludge KW - Biocombustible KW - fósforo KW - liquefacción hidrotérmica KW - lodos de depuradora KW - recirculación KW - fase acuosa KW - caracterización KW - estruvita KW - magnesio KW - pH KW - simulación KW - precipitación KW - estudio técnico económico KW - economía circular Y1 - 2019/09// ER -