Análisis experimental y de simulación de la producción de biogás a partir de lodos de aguas residuales de bebidas para generación eléctrica.

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 9107 (2022) Citar este artículo

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Este estudio evaluó el potencial de producción de biogás y metano de los lodos de aguas residuales generados por la industria de bebidas. La optimización del potencial de producción de biogás de un digestor anaeróbico discontinuo único se operó a diferentes temperaturas (25, 35 y 45 ℃), pH (5,5, 6,5, 7,5, 8,5 y 9,5) y proporción de alimentación orgánica (1 :3, 1:4, 1:5 y 1:6) con un tiempo de retención hidráulica de 30 días. Se determinó la productividad de metano y biogás de los lodos de aguas residuales de bebidas en términos de sólidos volátiles (SV) y volumen. La producción máxima de biogás (15,4 m3/g VS, 9,3 m3) y el contenido de metano (6,3 m3/g VS, 3,8 m3) se obtuvieron en términos de VS y volumen a 8,5, 35 ℃, 1:3 de pH, temperatura óptima. y relación de carga orgánica, respectivamente. Además, el contenido máximo de metano (7,4 m3/g VS, 4,4 m3) y el potencial de producción de biogás (17,9 m3/g VS, 10,8 m3) se alcanzaron por día a temperatura ambiente. El total de biogás y metano a 35 ℃ (30 días) es 44,3 y 10,8 m3/g VS, respectivamente, mientras que a 25 ℃ (48 días) aumentó a 67,3 y 16,1 m3/g VS, respectivamente. Además, se estimó el potencial de generación de electricidad del biogás producido a temperatura ambiente (22,1 kWh a los 24 días) y temperatura óptima (18,9 kWh) a los 40 días. El modelo que simuló la HRT óptima (25 días) en términos de producción de biogás y metano a la temperatura óptima estuvo de acuerdo con los resultados experimentales. Por lo tanto, podemos concluir que los lodos de aguas residuales industriales de bebidas tienen un enorme potencial para la producción de biogás y la electrificación.

Hoy en día, diversos desechos se reciclan de manera sostenible en productos útiles, por ejemplo, ladrillos1, embalajes2, uso agrícola3, energéticamente eficientes, y se fabrican diferentes sistemas de bioenergía4,5, como bioetanol5,6, biodiesel7,8, biogás9 y producción de briquetas10. Para permitir el desarrollo sostenible del suministro de energía y mitigar las emisiones de gases de efecto invernadero, la producción de biogás mediante digestión anaeróbica a partir de diversas materias primas como cultivos, residuos y desechos (desechos industriales, agrícolas y municipales) desempeña un papel clave11. La producción de biogás a partir de lodos industriales tiene varias ventajas. Además de la producción sostenible de energía mediante biogás, también tiene la ventaja del tratamiento de residuos orgánicos. Además, el desarrollo de técnicas mejoradas de biogás impulsará aún más su utilización para aplicaciones versátiles, incluso en el sector de la cocina y el transporte12. La digestión anaeróbica es una secuencia del proceso biológico mediante el cual los microorganismos convierten la materia orgánica en biogás en ausencia de oxígeno. El biogás se compone de aproximadamente un 60 por ciento de metano (CH4), un 40 por ciento de dióxido de carbono (CO2) y trazas de otros gases, por ejemplo, vapor de agua (H2O) y sulfuro de hidrógeno (H2S). Por lo tanto, la digestión anaeróbica puede desempeñar un papel importante a la hora de abordar todas las preocupaciones antes mencionadas que afectan a las naciones subdesarrolladas y en desarrollo (es decir, la gestión de energía y residuos) y al mismo tiempo aumentar la productividad agrícola.

En los estudios previos de Ngoc y Schnitzler (2009)13 y Goňo et al. (2013)14 informaron que el biogás producido a partir de la fermentación se puede quemar para generar calor y energía combinados (CHP) e iluminación durante los procesos de producción. Los sistemas de biogás con biogás de buena calidad se pueden utilizar como fuente de electricidad, lo que resulta muy beneficioso para la protección y el desarrollo del medio ambiente. Los efluentes de la industria de alimentos y bebidas están contaminados con metales tóxicos, que pueden afectar negativamente la salud humana en forma de enfermedades agudas o crónicas15,16. Los millones de galones de aguas residuales que pasan por las plantas de tratamiento cada día contienen cientos de toneladas de biosólidos. Según el informe de la USEPA (1979), los biosólidos generan biogás mediante digestión anaeróbica, del que se puede producir entre un 55 y un 70 por ciento de metano y entre un 25 y un 30 por ciento de dióxido de carbono17. Sin embargo, la producción de biogás a partir de residuos de biomasa y su utilización para aplicaciones energéticas sigue siendo un desafío debido a las complejas propiedades físicas y químicas de los residuos orgánicos, que afectan las vías metabólicas y el contenido de metano. En consecuencia, la atención se ha centrado en las oportunidades para seguir mejorando el rendimiento y la calidad del biogás18. Por lo tanto, los lodos de aguas residuales son el principal área de investigación de la comunidad científica, especialmente en la industria de alimentos y bebidas. Según Sreekrishnan et al. (2004) informan que la materia prima a veces requiere un tratamiento previo para aumentar el rendimiento de metano en el proceso de digestión anaeróbica16. El pretratamiento descompone la compleja estructura orgánica en moléculas más simples que luego son más susceptibles a la degradación microbiana. Además, el rendimiento y el contenido de metano en el biogás se pueden mejorar mediante la utilización de productos químicos (por ejemplo, CaO2) durante el proceso de pretratamiento, lo que permite una mayor descomposición y degradación del material de lodo19,20.

El factor principal para determinar el potencial de generación de metano de las aguas residuales es la cantidad de material orgánico degradable en las aguas residuales. Los lodos adecuadamente gestionados generados por la planta de tratamiento de aguas residuales de bebidas podrían potencialmente producir energía sustancial en forma de biogás, convirtiendo potencialmente a la planta de tratamiento de aguas residuales en un productor neto de energía en lugar de un consumidor. Además de maximizar la producción de energía, el digestor anaeróbico permitió minimizar los costos totales de la planta de tratamiento de aguas residuales. La energía del biogás producida a partir de diversas materias primas sostenibles se puede utilizar como alternativa de combustible fósil para producir electricidad y combustible para vehículos. Tiene la ventaja de mitigar las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) provenientes de los procesos de las plantas de tratamiento de aguas residuales21. Labutong et al. (2012)22 y Thyo y Wenzel (2007)23 sugirieron una utilización in situ del biogás producido para uso de cogeneración sin convertirlo en biometano. Sin embargo, la unidad de cogeneración provoca emisiones directas de GEI al medio ambiente y provoca impactos pertinentes en las categorías de calentamiento global, formación de smog, acidificación y eutrofización. Las tasas de emisión pueden verse afectadas por el tipo de motor; por ejemplo, los motores de gas con convertidor catalítico presentan las tasas de emisión más bajas. Mientras que la ignición del aceite en los motores de inyección piloto aumenta la cantidad de contaminantes en el gas agotado24. En general, la generación de electricidad a partir de biogás tiene menores impactos ambientales en comparación con la electricidad producida a partir de sistemas energéticos basados en combustibles fósiles24,25,26,27. En este estudio, se emplean enfoques experimentales y computacionales combinados para estimar la producción de biogás y el potencial de generación de electricidad a partir de lodos de aguas residuales de bebidas.

Ácido sulfúrico (H2SO4), sulfato de manganeso (MnSO4), azida alcalina, indicador de almidón, Na2S2O3 0,02 N, reactivo de DQO, agua desionizada, NaOH, ácido benzoico (C6H5COOH), naranja de metilo, carbonato de sodio (Na2CO3), agua destilada, KHP ( Hidrogenoftalato de potasio, HOOCC6COOK), dicromato de potasio (K2Cr2O3), indicador ferroso, sulfato de mercurio, FAS (sulfato ferroso de amonio, Fe(NH4)2.H2O, ácido DQO, solución de amonio o hidróxido de sodio y gel de sílice de carbón activado. Se utilizó equipo de laboratorio para el estudio Calorímetro adiabático o bob, balanza de peso digital, agitador, termómetro, electrodo, equipo de bomba o recipiente de oxígeno, manguera de oxígeno, resistencia, cápsula, hilo de algodón o alambre fusible, cubeta, embudo, matraz aforado, EA1112. Analizador CHNS/O flash e incubadora DBO.

El análisis aproximado es la determinación del contenido total de sólidos, sólidos volátiles, contenido de humedad, carbono fijo, azufre y contenido de cenizas. El sólido seco se puede definir como la masa de material que queda después de calentar el sustrato a 105 ℃ durante 1 h, expresada como porcentaje de la masa del material húmedo inicial. Según Murphy et al. 201528 el contenido de sólidos volátiles puede definirse como la masa de sólido perdido durante la ignición a 950 ℃ durante 7 min en un crisol cubierto, expresada como porcentaje de sólido seco. La DBO se determinó utilizando el método estándar HACH. La DQO se determinó utilizando el fotómetro AL 450 AQUALYTIC con SN 11/4005 fabricado con el método de medición estándar de Alemania. La determinación del contenido energético de los lodos de aguas residuales se determinó mediante una bomba calorimétrica. El fosfato se puede determinar utilizando el método colorimétrico de ácido molibdato APHA 4500-PC.

El análisis final evalúa la porción de carbono, hidrógeno, azufre y nitrógeno en una muestra sólida seca del sustrato. Por lo tanto, para este estudio, el análisis final se llevó a cabo en condiciones de un caudal de gas de 120 ml/min, un caudal de referencia de 100 ml/min, un caudal de oxígeno de 250 ml/min, una temperatura del horno de 900 °C, y temperatura del horno de 75 °C. Los seis puntos de calibración para cada componente y muestra se ejecutaron por duplicado.

Hasta donde sabemos, aún no se ha informado de ningún estudio para la producción de biogás a partir de lodos residuales industriales de refrescos. En línea con esto, nuestro estudio preliminar en un solo digestor anaeróbico discontinuo alimentado con una proporción de 1:1 de agua y lodos de aguas residuales con un volumen total de tinajas de 20 litros de agua ha mostrado un mayor rendimiento de la composición de biogás (61,11% CH4). Con esta motivación, este estudio se centró en la caracterización del análisis físico-químico de lodos de aguas residuales, optimizando diferentes variables (temperatura, pH, relación de carga orgánica y tiempo de retención hidráulica), y optimizando diferentes variables con software de simulación para la producción de biogás.

La producción de biogás mediante digestión anaeróbica es importante para maximizar la producción de energía y reducir los costos generales de tratamiento en las EDAR. El uso de biogás para energía y combustible, a diferencia del gas natural, tiene numerosos beneficios ambientales, incluida una menor huella de carbono. De manera similar, el biogás debería usarse para cogeneración in situ en lugar de actualizarlo a biometano para maximizar la mitigación de GEI. En general, la electricidad generada con biogás tiene un impacto ambiental menor que la electricidad generada con combustibles fósiles21,22,23,25. El estudio se evaluó para estimar la cantidad de biogás y electricidad generada a partir de lodos de aguas residuales de bebidas. La forma más sencilla de generar electricidad a partir de biogás es con un motor de combustión interna, y la cantidad de electricidad producida a partir de biogás se puede calcular utilizando la siguiente ecuación24,25,26,27,29.

donde: \({E}_{elect}\) es la energía eléctrica producida por tonelada de residuos orgánicos (tres), en KW/tres, \({Q}_{biogas}\) es la cantidad de biogás obtenido de los residuos orgánicos de un biodigestor, en m3, \({F}_{{CH}_{4}}\) es el metano contenido en el biogás, en porcentaje, \({CP}_{{CH}_{ 4}}\) es el calor específico del metano (KWh/m3), \({\eta }_{elect}\) es la eficiencia eléctrica en porcentaje.

El proceso de digestión anaeróbica, así como la composición química precisa de los residuos orgánicos, que varía según el punto de recogida de residuos, afecta al \({Q}_{biogás}\) y al \({F}_{{CH}_{ 4}}\). La proporción precisa de CH4 a CO2 en el biogás está determinada por el tipo y la concentración del insumo orgánico, que sirve como materia prima para los microorganismos que trabajan durante los procesos anaeróbicos y de fermentación. La digestión anaeróbica es una tecnología bien establecida de tratamiento de aguas residuales27.

El alto poder calorífico (poder calorífico bruto o poder energético bruto) se define como la cantidad de calor liberado por una cantidad determinada después de que se ha quemado y los productos han vuelto a una temperatura de 25 °C. Un poder calorífico bajo (LHV, poder calorífico neto) se define como la cantidad de calor liberado al quemar una cantidad específica cuando la temperatura final de los productos de la combustión es mayor que el punto de ebullición del agua (100 °C). El LHV asume el calor latente de vaporización del agua en el combustible y no recupera los productos de la reacción. El alto poder calorífico explica el calor latente de la vaporización del agua en los productos de combustión. En general, se utilizaron los dos términos de valores caloríficos, poder calorífico alto y poder calorífico bajo, para describir los contenidos de calor. El valor calorífico alto y el valor calorífico bajo de los residuos se calculan utilizando la ecuación de Dulong, que se muestra a continuación. Para determinar el LHV de un combustible a partir de su HHV o viceversa, se deben determinar los moles de agua que se producen cuando se quema un mol de combustible29.

donde carbono, hidrógeno, oxígeno y azufre son el contenido de C, H, O y S (base seca).

El calor de vaporización del agua a 25 ℃ es;

Según el método descrito por Wong et al. (2011) 30 pruebas de optimización del pH de la digestión anaeróbica por lotes, la tasa de carga orgánica, la temperatura y el tiempo de retención hidráulica se llevaron a cabo por triplicado y se incubaron en un baño de agua a 35 ℃. Se llevaron a cabo experimentos durante 30 días para describir el inicio de la producción de biogás, que es necesario para determinar el HRT óptimo del potencial de biogás. El digestor discontinuo está sellado desde el interior para evitar fugas de biogás y tiene un baño de agua completamente insertado para mantener la temperatura13. Los contenidos se agitaron mediante un apretón de manos. Para este estudio, la producción de biogás se midió mensualmente usando una jeringa de conexión de aire y la composición del biogás se cotejó usando un equipo analizador de gas. Según Sreekrishnan et al.16 se utilizó NaOH al 1% y H2SO4 para ajustar el pH del sustrato. La optimización de la producción de biogás se lleva a cabo mediante la recogida de lodos de aguas residuales y distintos equipos de laboratorio. Se utilizó el siguiente equipo de laboratorio: baño maría, botellas de reactor, válvula reguladora de gas, manguera plástica, jeringa de gas con conexión de aire, analizador de gas y bolsas recolectoras de gas. La configuración experimental de optimización de la producción de biogás en digestión anaeróbica a pequeña escala y a escala de laboratorio se muestra en las figuras 1a, b, respectivamente.

HIPERVÍNCULO "sps:id::fig1||locator::gr1||MediaObject::0" (a) Diagrama esquemático de la configuración experimental para la digestión anaeróbica a pequeña escala. (b) Configuración experimental para la producción de biogás a escala de laboratorio.

En este estudio, se utilizó el modelo cinético de digestión aeróbica para estimar la cantidad de metano del biogás producido. En 1936, Buswell y Hatfield desarrollaron la fórmula estequiométrica que permite predecir el contenido de metano del biogás producido en 193631,32. Posteriormente, en 1952, Boyle modificó la reacción química de Buswell y Mueller para permitir que se incluyeran nitrógeno y azufre para obtener la fracción de NH3 y H2S en el biogás producido32,33,34,35. Se utilizó el software MATLAB para el análisis de simulación de la producción de biogás a partir de lodos de aguas residuales. Los residuos industriales son mezclas muy complejas y se utilizan diferentes enfoques para describir su composición. La composición de los elementos es el método básico más útil para describir los componentes no acuosos de los lodos de aguas residuales. El objetivo de este modelo es proporcionar un equilibrio entre la simplicidad y la predicción eficaz de la producción de biogás. No se considera el propósito de crear un modelo que considere todos los factores y prediga la producción de biogás con un nivel muy alto de precisión. Por lo tanto, este estudio de modelo simple se utiliza para estimar el potencial teórico de biogás. Para aplicar este modelo a una materia prima específica, necesitamos conocer los componentes químicos de la materia prima. El modelo consideró el supuesto de que el material de entrada consta únicamente de elementos de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y azufre. Las proporciones relativas de estos elementos se pueden tomar del análisis final de los desechos, temperatura constante, volumen constante del digestor, mezcla perfecta, condición bacteriana ideal y productos de la reacción que incluyen solo CH4, CO2, NH3 y H2S. No hay acumulación de cenizas y la reacción se completa34.

La mayor parte del biogás es carbono, oxígeno, hidrógeno y azufre. La cantidad y calidad del producto derivado de cualquier residuo al proceso de conversión energética. El análisis final del sustrato se utilizó para determinar la ecuación estequiométrica basada en la composición elemental del material de desecho y para calcular la composición teórica de metano teniendo en cuenta C, H, O y N36. Según este estudio, el lodo seco de aguas residuales contenía aproximadamente un 45,190 % en masa de carbono y aproximadamente un 42,992 % en masa de oxígeno en base al peso seco del lodo de aguas residuales. Las características finales de los lodos de aguas residuales se muestran a continuación en la Tabla 1.

Según el resultado aproximado, los lodos residuales secos mostraron un contenido de humedad de aproximadamente 6,26%. La fracción restante del contenido en masa es el contenido sólido total presente en los lodos de aguas residuales. Esta masa sólida contiene en gran parte sólidos volátiles y una pequeña fracción es contenido mineral (cenizas). En cualquier proceso de conversión de energía, sólo una parte de la masa de sólidos volátiles sufre su conversión. Las propiedades aproximadas de los lodos de aguas residuales se resumen en la Tabla 2.

Según Fytili y Zabaniotou (2008)37 y Sitorus et al. (2013)38 informaron valores caloríficos para varios tipos de lodos de depuradora en el rango de 11 a 25,5 MJ/Kg (2627 a 6000 cal/g). Además, Oladejo et al. (2019)39 informa que el contenido orgánico volátil de los lodos de depuradora secos oscila entre el 21% y el 48%, como consecuencia, el contenido de energía varía entre 2600 y 5200 cal/g. En este estudio, el poder calorífico del lodo de la planta de tratamiento de aguas residuales de bebidas fue de aproximadamente 5042,2 cal/g, lo que concuerda con los valores caloríficos más altos de la literatura anterior. Según trabajos anteriores relacionados realizados en el análisis final, la cantidad de contenido de carbono (% en peso) es directamente proporcional al poder calorífico40,41,42. Esto significa que si el lodo contiene mucho carbono, también contiene muchas calorías. Nuestro sustrato tiene un alto contenido en carbono, según el último análisis (45,19%). Esto se debe a que el azúcar es uno de los materiales básicos más importantes en la industria de los refrescos. Como resultado, el alto contenido calórico de nuestro sustrato se debe muy probablemente a las materias primas utilizadas en la industria de los refrescos. Además, el volumen de fosfato, TS, DQO y DBO es 4,02 mg/l, 27,4%, 2200 mg/l y 30 mg/l, respectivamente. La concentración de fósforo se determinó con base en la curva de calibración externa con un buen factor de coloración (R2 = 0,999).

En esta investigación, se utilizó un digestor anaeróbico de lote único con un volumen total de tinajas de agua de 20 L para la producción de biogás. La materia prima contiene 50% de sustrato de aguas residuales y 50% de agua. El peso total de la carga de materia prima fue de 20 kg y se mezcló manualmente durante la alimentación. Estaba operando en condiciones ambientales sin ningún control de parámetros. La bolsa recolectora de gas fue prevista para la recolección de biogases. La producción de biogás se determinó mediante el método de desplazamiento de agua periódicamente y analizando la composición del biogás mediante el uso de un analizador de gases. A partir de este estudio experimental de ensayo primario, la producción de biogás se inició después de un tiempo de retención hidráulica de 23. La Figura 2 muestra el resultado del volumen de producción de biogás y el contenido de metano de este estudio.

(a) Producción de biogás (mL) en función de días, (b) contenido de metano (%) en función de días, (c) contenido de metano (mL) en función de días a escala de laboratorio para estudio preliminar.

La optimización del pH se realizó con proporciones de sustrato constantes y la temperatura se mantuvo en 1:4 y 35 ℃, respectivamente, para todas las configuraciones experimentales. La optimización se realizó en análisis por triplicado. Cada reactor tenía una capacidad de 500 ml y contenía 400 ml de líquido total, incluido el sustrato de lodos de aguas residuales. La optimización del pH se realizó en diferentes configuraciones de reactores discontinuos como sigue. En la configuración A: los reactores 1, 2 y 3 se realizaron a pH 5,5. En la configuración B: los reactores 4, 5 y 6 se realizaron a pH 6,5. En la configuración C: los reactores 7, 8 y 9 se realizaron a pH 7,5, en la configuración D: los reactores 10, 11 y 12 se ajustaron a pH 8,5, y en la última configuración E: los reactores 13, 14 y 15 se regularon a pH 9,5. Varios investigadores informaron sobre el rango de pH para una digestión anaeróbica adecuada de lodos de aguas residuales. El pH óptimo para los residuos orgánicos industriales se obtuvo entre 6,5 y 7,543. Según informes anteriores de Rosenberg y Kornelius (2017)44, se encontró que el valor de pH óptimo para la producción de biogás estaba entre 6,7 y 7,5. El estudio reportado por Ngoc y Schnitzer (2009)13 también identificó que el valor de pH óptimo de la digestión anaeróbica para la producción de biogás está entre 6,0 y 8,0. En este estudio, el rendimiento máximo de biogás y metano se alcanzó a un pH inicial de 8,5 y la producción de gas finalizó a un pH de 7,3 con una temperatura del reactor de 33 ℃. Además, el rendimiento máximo de biogás (1404,3 ml) y el contenido de metano (654,4 ml) se presentan en la Fig. 3, que muestra la fuerte disminución del contenido de metano después de un pH de 8,5.

(a) Producción de biogás (mL) en función del pH, (b) contenido de metano (%) en función del pH, (c) contenido de metano (mL) en función del pH.

La optimización de la relación de carga orgánica se realizó a un pH (8,5) y temperatura (35 ℃) constantes del sustrato en todas las configuraciones experimentales. Cada reactor tenía una capacidad de 500 ml y contenía 400 ml de líquido total, incluido el sustrato de lodos de aguas residuales. Las relaciones de sustrato a agua en diferentes configuraciones de reactores discontinuos se realizaron de la siguiente manera. En la configuración A: los reactores 1, 2 y 3 se realizaron en una proporción de sustrato de 1:3. En la configuración B: los reactores 4, 5 y 6 se realizaron con una proporción de sustrato de 1:5. En la configuración C: los reactores 7, 8 y 9 se realizaron con una proporción de sustratos de 1:6. En la optimización de la carga orgánica, las mediciones se realizaron por triplicado utilizando tres reactores para cada carga orgánica considerada en este estudio. La Figura 4 muestra la producción óptima de biogás y el resultado del rendimiento de metano se midió en una proporción de 1:3. Este resultado está de acuerdo con el trabajo de Syaichurrozi y Sumardiono (2013)45.

(a) Producción de biogás (ml) en función de la relación de carga orgánica, (b) contenido de metano (%) en función de la relación de carga orgánica y (c) contenido de metano (ml) en función de la relación de carga orgánica.

La optimización de la temperatura se realizó con una relación de carga constante, el pH de la materia prima se mantuvo en proporciones de 1:3 y 8,5, respectivamente, en todas las configuraciones del experimento. Los reactores se protegieron en baños de agua a diferentes temperaturas. Se ha utilizado el montaje experimental a diferentes temperaturas: baño María A: 25 ℃, baño María B: 35 ℃ y baño María C: 45 ℃. Para cada temperatura, los experimentos se realizaron por triplicado. Además, los resultados del rendimiento máximo del contenido de gas metano y el volumen de producción de biogás a una temperatura del baño de agua (35 ℃) y temperatura del reactor (32 ℃) se muestran en la Fig. 5. Este resultado concuerda bien con el valor de la literatura informado en la siguientes trabajos46,47,48,49.

(a) Producción de biogás (mL) en función de la temperatura, (b) contenido de metano (%) en función de la temperatura y (c) contenido de metano (mL) en función de la temperatura.

El tiempo de retención hidráulica óptimo se optimizó a la temperatura, el pH y la relación de carga óptimos de la materia prima. La temperatura, el pH y la relación de carga óptimos de la materia prima fueron 35 ℃, 8,5 y 1:3, respectivamente, para todas las configuraciones experimentales. Al igual que en informes anteriores, los valores de HRT se midieron periódicamente durante 30 días en intervalos de siete días. Según Rosenberg y Kornelius44, Bouallagui et al.50 y Ngoc y Schnitzer13, la DA efectiva de la materia orgánica en condiciones mesófilas se obtuvo a los 20, 25 y 28-35 días. Además, Atelge et al.51 informaron que el rango óptimo de TRH era de 20 a 30 días, respectivamente. De manera similar, en nuestro estudio, el contenido máximo de biogás y metano obtenido a los 24 días (Fig. 6) concuerda con los valores de la literatura anterior.

(a) Producción óptima de biogás (mL) en función del tiempo de retención hidráulica, (b) contenido óptimo de metano (%) en función del tiempo de retención hidráulica, (c) contenido de metano (mL) en función del tiempo de retención hidráulica en 35 ºC.

El tiempo de retención hidráulica óptimo se optimizó en la zona de temperatura de bacterias psicrófilas (25 ℃) y a pH y carga orgánica óptimos en una proporción de 8,5 y 1:3, respectivamente. Para la producción de biogás, en la comparación de la HRT entre la zona de temperatura bacteriana mesófila y psicrófila, la HRT óptima de la temperatura psicrófila fue más larga que la de la zona de temperatura mesófila. Todos los experimentos se realizaron por triplicado. El volumen máximo de biogás y el contenido de metano se miden a un HRT óptimo de 45 días a una temperatura de 25 ℃. Los resultados del volumen máximo de biogás y el contenido de metano con HRT óptima se muestran en la Fig. 7.

Según Davis et al. (2016)29 la relación con el calor específico del metano (también conocido como poder calorífico neto o poder calorífico inferior), sitúa el Cp(CH4) en 10 kWh/m3, mientras que el Centro Sueco del Gas52 sitúa el Cp(CH4) en 9,97 kWh/m3. m3. En este estudio se utilizó Cp (CH4) = 10 kWh/m3. Además, el valor de eficiencia eléctrica (ηelec) depende de la tecnología utilizada. La eficiencia varía entre el 25 y el 31 por ciento, pero donde ciertas tecnologías son capaces de alcanzar hasta el 43%. Según el artículo mencionado anteriormente, los valores oscilan entre el 25 y el 40%, pero donde la mayoría de las tecnologías presentadas tienen eficiencias mínimas del 30%. Por lo tanto, para este estudio se considera razonable un valor de ηelec = 30%. Para optimizar la producción de biogás, la energía eléctrica máxima estimada fue de 18,9 kWh a los 24 días, mientras que a temperatura ambiente de producción de biogás la energía eléctrica máxima estimada fue de 22,1 kWh a los 40 días. Asimismo, para el método de desplazamiento de agua, el contenido de metano está aumentando hasta un 61,6%. Con base en este resultado, el potencial de producción de electricidad a partir de la producción de biogás se mostró en incienso y el valor estimado fue de 33,1 kWh a los 48 días. Sin embargo, la estimación del potencial de energía eléctrica total a partir de la producción de biogás en condiciones de optimización y temperatura ambiente fue de 54,5 kWh/mes y 83 kWh/48 días, respectivamente.

Antes de optimizar el valor óptimo de HRT de la producción de biogás, se simuló el valor óptimo de HRT utilizando un programa de circulación por computadora de un modelo de optimización. Los parámetros de este modelo fueron los mismos que los parámetros del experimento mencionados anteriormente. Se ha observado que el valor óptimo de HRT para la producción de biogás se informó en diferentes zonas de temperatura, psicrófila (25 ℃), mesófila (35 ℃) y termófila (45 ℃), respectivamente. En la simulación del modelo, se predijo una HRT óptima de producción de biogás antes de optimizar experimentalmente la temperatura y la HRT. Los efectos de la temperatura y la HRT para la producción de biogás se predicen en el modelo de simulación de producción de biogás. En general, con respecto a la temperatura y la HRT para la producción de biogás mediante simulación de modelos, la temperatura de 35 ℃ es la temperatura óptima en lugar de 25 y 45 ℃. Por lo tanto, la temperatura óptima de producción de biogás en la simulación del modelo es buena y coincide con el resultado experimental. Pero la comparación entre la simulación del modelo y la producción experimental de biogás a una temperatura de 45ºC era imposible. Para esta investigación, el biogás no se puede producir a una temperatura de 45 ℃. La Figura 8 muestra los resultados del modelo cinético de producción de biogás en varias temperaturas.

Resultados de simulación de la producción de biogás en función del tiempo de retención (días) a varias temperaturas de (a) 45 ℃, (b) 35 ℃ y (c) 25 ℃, respectivamente.

Los experimentos se realizaron a diferentes temperaturas, HRT, pH y concentraciones de carga orgánica para determinar los parámetros óptimos de producción de biogás. El HRT óptimo para los resultados de producción de biogás de simulación del modelo a una temperatura de 25 ℃ se muestra durante 30 días, pero a esta temperatura, el resultado de producción de biogás experimental se muestra durante 40 días. Esta comparación entre la simulación del modelo y la producción experimental de biogás da como resultado que a una temperatura de 25 ℃, la producción de biogás de la simulación del modelo es inferior a 10 días HRT. El HRT óptimo entre la simulación del modelo y la producción experimental de gas metano es de 40 días. Este resultado muestra una HRT óptima similar entre la simulación y la producción experimental de gas metano, y la comparación entre los experimentos y la simulación del modelo de producción de gas metano está en buen acuerdo. Además, en la Fig. 9 se muestra la comparación entre el resultado de la producción de biogás y metano experimental y de simulación a una temperatura de 25 ℃.

(a) Producción de biogás (m3) en función del tiempo (días), simulación y resultados experimentales, (b) producción de gas metano (m3) en función del tiempo (días), simulación y resultados experimentales a 25 ℃.

El modelo simula la producción de biogás y gas metano a una temperatura de 35 ℃, el HRT óptimo es de 25 días. La producción experimental de biogás y gas metano a una temperatura de 35 ℃ se muestra como la HRT óptima durante 24 días. Este resultado muestra que la comparación entre la simulación del modelo de producción de biogás y gas metano es aproximadamente similar. Además, en la Fig. 10 se muestra la comparación entre el resultado de la producción de biogás y metano experimental y de simulación a temperaturas de 35 ℃.

Este artículo presentó cuantitativamente la producción de electricidad a partir del biogás producido a partir de lodos de aguas residuales de bebidas en condiciones experimentales óptimas (es decir, temperatura, relación de carga y pH de 35, 1:3 y 8,5, respectivamente). Los resultados experimentales se compararon con los resultados de la simulación del modelo para su validación. El contenido máximo de metano del biogás en términos de VS y volumen es de 6,3 m3/g VS y 3,8 m3, respectivamente, a los 24 días. El potencial de producción de biogás en términos de VS y volumen es de 15,4 m3/g VS y 9,3 m3 de volumen de biogás a los 24 días, respectivamente. Incluso a temperatura ambiente (25 ℃) se produjo un contenido notable de metano, el contenido máximo de metano del biogás en términos de VS y volumen es de 7,4 m3/g VS y 4,4 m3 CH4 a los 40 días, respectivamente. Además, el potencial de producción de biogás a temperatura ambiente en términos de VS y volumen es de 17,9 m3/g VS y 10,8 m3 de volumen de biogás a los 40 días, respectivamente. La predicción de la temperatura óptima y la TRH entre la simulación del modelo y la producción experimental de biogás concuerdan bien. La estimación del potencial eléctrico y de producción de biogás a temperatura ambiente es de 22,1 kWh y 18,9 kWh a los 40 y 24 días, respectivamente. Además, se encontró que el potencial total de generación de electricidad era de 83,0 kWh por 48 días y 54,5 kWh por mes, respectivamente. Además, al emplear el método de desplazamiento de agua, se aumentó el contenido de metano del biogás producido al 61,6%, como consecuencia, el potencial de producción de electricidad aumentó a 33,1 kWh en 48 días. En general, los resultados de este estudio revelaron que los lodos de aguas residuales de bebidas podrían ser una materia prima muy prometedora para la generación de electricidad a partir de la producción de biogás por digestión anaeróbica y la mejora del contenido de metano. Desempeña un papel vital en la mitigación de las emisiones de gases de efecto invernadero y proporciona energía rentable y sostenible para el consumo interno de la industria y la comunidad circundante.

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Descargar referencias

Los autores agradecen el proyecto de investigación temática de la Universidad de Addis Abeba (Subvención No. TR/036/2020) para las instalaciones del laboratorio y a East Africa Bottling Share Company por proporcionar lodos de aguas residuales.

Centro de Ciencias Ambientales, Facultad de Ciencias Naturales y Computacionales, Universidad de Addis Abeba, PO Box 1176, Addis Abeba, Etiopía

Haga clic en Descargar para guardar Anteneh Admasu - Yedilfana Setarge Mekonnen mp3 youtube com

Escuela de Ingeniería Mecánica e Industrial, Universidad de Addis Abeba, PO Box 1176, Addis Abeba, Etiopía

Wondwossen Bogale

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AA, WB y YSM escribieron el texto principal del manuscrito y prepararon todas las tablas y figuras. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Wondwossen Bogale o Yedilfana Setarge Mekonnen.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Admasu, A., Bogale, W. & Mekonnen, YS Análisis experimental y de simulación de la producción de biogás a partir de lodos de aguas residuales de bebidas para la generación de electricidad. Representante científico 12, 9107 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-12811-3

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Recibido: 27 de diciembre de 2021

Aceptado: 05 de mayo de 2022

Publicado: 01 de junio de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-12811-3

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